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EP2781622A1 - Generatives Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Überzugs, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Überzug und ein Bauteilfertigungsverfahren sowie ein Bauteil - Google Patents

Generatives Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Überzugs, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Überzug und ein Bauteilfertigungsverfahren sowie ein Bauteil Download PDF

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Publication number
EP2781622A1
EP2781622A1 EP13160283.1A EP13160283A EP2781622A1 EP 2781622 A1 EP2781622 A1 EP 2781622A1 EP 13160283 A EP13160283 A EP 13160283A EP 2781622 A1 EP2781622 A1 EP 2781622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
coating
component
layer
material mixture
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.)
Withdrawn
Application number
EP13160283.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Burbaum
Torsten Melzer-Jokisch
Sebastian Piegert
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP13160283.1A priority Critical patent/EP2781622A1/de
Priority to PCT/EP2014/055235 priority patent/WO2014146997A1/de
Publication of EP2781622A1 publication Critical patent/EP2781622A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices

Definitions

  • the invention relates to a generative process, in particular for the production of a coating, to a device for carrying out the process and to a coating. Furthermore, the invention relates to a component manufacturing method and a component.
  • a rotor of a turbomachine for example a rotor of a gas turbine or steam turbine, has a rotor main body and a plurality of blades mounted on the rotor main body. Each blade has a blade root and an airfoil and a tip and is mounted with the blade root in a corresponding recess of the rotor body.
  • cooling is often insufficient, especially at the blade tip.
  • a temperature difference of about 100 ° Celsius is present. Therefore occurs in the blade tip by the thermal and mechanical stress, in particular by shrinkage in so-called counter-sealing surfaces, often wear on. Cracking on the blade tip is the result.
  • a method of repairing a nozzle of a gas turbine in which a damaged portion is cut out of the nozzle to be repaired and a spare part for the cut-out portion is manufactured by means of a rapid manufacturing process becomes.
  • the spare part produced by the rapid manufacturing process is integrated into the guide vane to be repaired by welding or soldering.
  • a first object of the invention is therefore to specify a generative method with which the above-mentioned problem can be reduced or even avoided.
  • a second object is the disclosure of a device for carrying out the method.
  • a third task is to specify a coating that solves the above problem.
  • a fourth and a fifth object are the specification of a component production method and a component which solves the above-mentioned problem.
  • the second powder may be locally characterized by a high wear resistance and / or oxidation resistance and / or a low thermal expansion coefficient with respect to high temperatures. Since the proportion of the second powder in the powder material mixture was increased continuously with increasing number of layers, this means that the mechanical and / or thermal properties change continuously with increasing layer.
  • the proportion of the second powder in the first layer is preferably 0%. In a preferred embodiment, the proportion of the first powder in the last layer is 0%. Thus, the appropriate properties of the second powder are maximized with respect to high temperatures.
  • the method described above can be carried out very easily and easily.
  • the third object is to specify a coating for producing or repairing a component, in particular that of a fluid-flow machine comprising at least a first layer with a first solidifiable powder material mixture and a last layer with a last solidifiable powder material mixture, wherein between the first and the last layer a defined number of further layers of solidifiable powder material mixtures is provided, solved.
  • the solidifiable powder material mixture of at least a first powder and a second powder, wherein the proportion of the second powder from the first layer to the last layer increases continuously and wherein the second powder with respect to high temperatures suitable properties, in particular wear resistance and / or oxidation resistance and / or a low thermal expansion coefficient with respect to high temperatures.
  • a coating is created which has different properties due to the different powder composition in different areas.
  • the change Properties also not abrupt, but slowly merge into each other or change continuously.
  • the coating is thus adapted, for example, to the different thermal expansion coefficients or to the expected temperature gradients. This means that the thermal expansion due to the higher temperature in, for example, the last layer is the same as the first layer, although this layer is directly exposed to the hot gas or the higher temperatures. In the optimal case, this means a complete compensation of the thermo-mechanical stresses. Due to the properties such as wear resistance and / or oxidation resistance, such a coating is therefore particularly suitable for use in power plants.
  • the proportion of the second powder in the first layer is 0%.
  • the proportion of the first powder in the last layer is 0%.
  • the coating is preferably produced by the above-mentioned generative process and / or the above-mentioned device. As a result, the coating can be produced particularly easily.
  • the component manufacturing process according to the invention now makes repair of e.g. High-temperature loaded components with a suitable coating possible.
  • the coating can be manufactured separately and on / in-place of the component to be repaired on / in this.
  • an application to the new part is possible;
  • a blade can be cast without a tip and the tip made from a coating.
  • a particularly temperature-resistant blade can be manufactured with a long service life.
  • the joining preferably takes place by joining, in particular friction welding. But it can also be used any other welding / joining process.
  • abrasion occurs by the connection by friction welding of the coating and the base component.
  • the recontouring of the end component includes the post-processing of the abrasion by mechanical processing, in particular by turning or milling. This can be done very easily.
  • the coating is heat treated prior to bonding to the base member.
  • This can be, for example, a hot isostatic pressing (HIP process) to set the optimum mechanical properties and, where appropriate, to eliminate hot cracks.
  • HIP process hot isostatic pressing
  • the final component is heat-treated, so that the structure gets the optimal properties.
  • the fourth object is achieved by specifying a component which is repaired or manufactured according to the above component manufacturing method.
  • This may in particular be a component of a gas turbine, for example a blade.
  • the blade at its tip, which is formed by the last layer, a large proportion of the second powder, which, for example, a thermal is highly resilient material.
  • the thermal expansion coefficient at the tip of the component or the coating can be adapted to the expected temperature gradients.
  • the second powder may also have other or additional properties.
  • the first powder has similar or the same material properties as the base component. If the thermal expansion is chosen as the material property, then it can be adjusted by means of this combination that the thermal expansion due to the higher temperature at the last layer (top) of the coating is just as great as in the first layer of the coating, although between the tip and the first Layer of the coating is a large temperature gradient. This means a complete compensation of the thermo-mechanical stresses.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 1 with a wing profile 3 according to the prior art.
  • This has a blade root 2.
  • the blade 1 comprises a tip 4, which has a crown 5 with an inner crown bottom 6 and an outer crown edge 7.
  • the turbine blade 1 is designed to rotate within a housing (not shown). It is important that the blade tip 4 fits precisely into the housing (not shown) so as to prevent an outward flow of the combustion gases on the blade tip 4 as far as possible, since the gases taking this bypass no energy transferred to the airfoil 3 of the blade 1.
  • the blade 1 may have a thermal barrier coating at its tip. Nevertheless, one or more cracks 10 may occur in the crown 5 of the turbine bucket 1, due to material fatigue at low load cycles occurring during operation of the turbine and acting on the bucket tip 4. If a crack 10 exceeds a critical length, the turbine blade 1 must be taken out of service and / or repaired. So far, cracks 10, unless they exceed a critical length, have been laser-deposited, e.g. with the filler or by e.g. Tungsten inert gas welding (TIG welding) repaired.
  • Tungsten inert gas welding Tungsten inert gas welding
  • the material on the crown bottom 6, that is to say at the transition from the airfoil 3 to the crown 5, should be approximately identical to the material of the airfoil 3, so that different thermal expansion coefficients do not lead to critical loads during the heating phase or cooling phase during operation of the turbine blade 1 lead.
  • a high resistance to wear and oxidation resistance is required locally, which can not be reconciled with the chemical / metallurgical composition of the airfoil 3.
  • FIG. 2 shows a coating 35 according to the invention, which can be used to repair the blade tip 4.
  • the blade tip 4 can first be completely removed, so that a base wing 15, which may be identical to the wing profile 3, remains.
  • the coating 35 comprises at least a first layer 21 with a first solidified powder material mixture and a last layer 25 comprising a last consolidated powder material mixture, and between the first and the last layer 25 a defined number of further layers 22-24, wherein the number is not fixed here to three.
  • the number can be zero, of course; ie no further layer can be provided.
  • the solidified powder material mixture consists of at least a first powder 100 and a second powder 200, wherein the proportion of the second powder 200 from the first layer 21 to the last layer 25 increases.
  • the powder material mixture can also consist of several powders.
  • This first powder 100 is later or when applied to a first, solidified powder 100.
  • the powder 100 or solidified powder 100 is similar or equal to the material and / or has similar or the same properties as the base wing 15. In this case is to be mentioned as a similar or identical property, especially the thermal expansion coefficient.
  • the powder 100 is applied to a mold 50 (FIG. FIG. 4 ) and then solidified into a first coating section 31. Also, the mold 50 ( FIG. 4 ) Of course, the base wing 15 itself.
  • At least one second powder 200 is added to the first powder 100 to form a second powder material mixture.
  • a second layer 22 is generated, which subsequently solidifies with the first coating section 31 to form a new coating section 32.
  • the subsequent layers 23 and 24 are successively applied to the coating sections 32 and 33 produced analogously thereto.
  • the last layer 25 is therefore applied to a coating section 34.
  • the powder 200 now has properties which are required in particular for high temperatures.
  • the proportion of powder 200 in the powder material mixture is increased as the number of layers increases.
  • the last layer 25, ie the layer which is exposed directly to the hot temperature, in particular by hot gas, consists essentially only of the powder 200, which is subsequently solidified or applied.
  • the solidified powder 200 is later exposed directly to the hot gas or the hot temperatures.
  • the solidified powder 200 of the last layer 25 represents the crown edge 7, so to speak later.
  • the solidified powder 200 now has properties which are required in particular for high temperatures. These are mainly wear resistance and oxidation resistance and a low coefficient of thermal expansion. Since the proportion of powder 200 in the powder material mixture was continuously increased with increasing number of layers, this means that the mechanical and / or thermal properties change continuously with increasing layer.
  • the blade tip 4 is therefore made graduated.
  • the mixture of the at least two powders 100 and powders 200 can be effected by two separately controllable powder conveyors 101 and 201 and a coaxial mixing nozzle 70 ( FIG. 4 ).
  • the powder material mixture can be mixed in any ratio.
  • the mixture is applied to a mold 50 (FIG. FIG. 4 ) applied and solidified.
  • the last solidified powder 200 Since the last layer 25 is directly exposed to the hot gas or temperatures, the last solidified powder 200 also requires a low coefficient of thermal expansion than the layer 21 of the first solidified powder 100 and the base wing 15 in such a way that the thermal expansion at the last layer 25 is the same as at the first layer 21. This, and the continuous change of the mechanical and / or thermal properties with increasing layer ideally lead to an almost complete Compensation of the thermal stresses in the operation of the blade 1 and reduced cracking.
  • the solidification of the layer can be done for example by welding. This can be, for example, a build-up welding or laser sintering / laser melting by means of a heat source 60 (FIG. FIG. 4 ) or another generative manufacturing process.
  • the layers 21-25 are thus connected to one another in a material-locking manner and thereby ultimately form the desired coating 35.
  • the coating 35 is cut to fit the base blade 15, for example, the blank of the coating 35 can be used as a replacement blade tip 30 (FIG. FIG. 3 ) be.
  • the coating 35 can be tailored to any other component, such as heat shields or other parts in the power plant. An application is also conceivable outside of power plant technology.
  • the replacement blade tip 30 (FIG. FIG. 3 ), eg by hot isostatic pressing (HIP), to eliminate joining defects and to produce the optimum mechanical properties.
  • the replacement blade tip 30 (FIG. FIG. 3 ) to the base bucket 15 ( FIG. 3 ) to a replacement vane 41 ( FIG. 3
  • the joining 12 for example by means of friction welding ( FIG. 3 ) or other known joining methods.
  • the resulting from the joining 12 abrasion or burrs or seams are remedied by a post-processing (re-contouring) by means of mechanical processing, such as milling or grinding. Subsequently, the replacement blade 41 (FIG. FIG. 3 ) are heat treated again.
  • the base blade 15 can be produced and continued as described above, or the complete blade 1 (FIG. FIG. 1 ) graduated as described above.
  • other components such as burners, heat shields, etc. can be manufactured or repaired with the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein generatives Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Überzugs (35) mit folgenden Schritten: - Auftragen einer ersten Schicht (21) eines ersten Pulverwerkstoffgemisches und Verfestigen dieser ersten Schicht zu einem ersten Überzugsabschnitt (31); - Auftragen einer zweiten Schicht (22) eines zweiten Pulverwerkstoffgemisches auf dem hergestellten ersten Überzugsabschnitt (31) und Verfestigen dieser zweiter Schicht (22) zu einem neuen Überzugsabschnitt (32), - sukzessives Auftragen von weiteren Schichten (23-24) aus Pulverwerkstoffgemischen auf den jeweils hergestellten neuen Überzugsabschnitt (32-33) und sukzessives Verfestigen dieser weiteren Schichten (23-24) zu einem jeweils neuen Überzugsabschnitt (33-34), bis zu einer vorbestimmten letzten Schicht (25) mit einem letzten Pulverwerkstoffgemisch sowie Verfestigen der letzten Schicht (25) zu einem Überzug (35), wobei das Verfestigen durch ein Strahlschmelzverfahren, vorzugsweise als ein Laser-oder Elektronenstrahlsinterverfahren, vorgesehen ist, - und wobei das Pulverwerkstoffgemisch zumindest ein erstes Pulver (100) und ein zweites Pulver (200) umfasst, wobei der Anteil des zweiten Pulvers (200) von der ersten Schicht (21) bis zur letzten Schicht (25) kontinuierlich zunimmt, - und wobei das zweite Pulver (200) in Bezug auf hohe Temperaturen geeignete Eigenschaften, insbesondere Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, einen Überzug und ein Bauteilfertigungsverfahren sowie ein Bauteil.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein generatives Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Überzugs, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Überzug. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteilfertigungsverfahren sowie ein Bauteil.
  • Ein Rotor einer Strömungsmaschine, so zum Beispiel ein Rotor einer Gasturbine oder Dampfturbine, verfügt über einen Rotorgrundkörper sowie mehrere am Rotorgrundkörper montierte Schaufeln. Jede Schaufel verfügt über einen Schaufelfuß sowie ein Schaufelblatt und einer Spitze und ist mit dem Schaufelfuß in einer entsprechenden Ausnehmung des Rotorgrundkörpers montiert. Aufgrund der hohen Temperaturen in einer Gasturbine ist die Kühlung jedoch oftmals gerade an der Schaufelspitze nicht ausreichend. Besonders an der Schaufelspitze ist ein Temperaturunterschied in etwa von 100° Celsius vorhanden. Daher tritt im Bereich der Schaufelspitze durch die thermische sowie mechanische Beanspruchung, hier insbesondere durch ein Einlaufen in sogenannte Gegendichtflächen, häufig ein Verschleiß auf. Rissbildung an der Schaufelspitze ist die Folge. Bisher wurde die verschlissene und/oder mit Rissen behaftete Region im Bereich der Schaufelspitze mechanisch lokal abgetragen und durch ein Auftragsschweißen mit einem Zusatzwerkstoff wieder hergestellt. Dies ist jedoch sehr kosten- und zeitintensiv. Eine längere Lebensdauer einer Schaufel bzw. Schaufelspitze ist daher wünschenswert.
  • Aus der DE 103 19 494 A1 ist ein Verfahren zum Reparieren einer Leitschaufel einer Gasturbine bekannt, bei welchem ein beschädigter Abschnitt aus der zu reparierenden Leitschaufel herausgetrennt und ein Ersatzteil für den herausgetrennten Abschnitt mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Prozesses hergestellt wird. Das durch den Rapid Manufacturing Prozess hergestellte Ersatzteil wird in die zu reparierende Leitschaufel durch Schweißen oder Löten integriert.
  • Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines generativen Verfahrens, mit welchem das oben genannte Problem vermindert oder gar vermieden werden kann. Eine zweite Aufgabe die Angabe einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine dritte Aufgabe ist die Angabe eines Überzugs, welcher das oben genannte Problem löst. Eine vierte und eine fünfte Aufgabe liegen in der Angabe eines Bauteilfertigungsverfahrens sowie eines Bauteils, welches das oben genannte Problem löst.
  • Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe durch die Angabe eines generativen Verfahrens mit den folgenden Schritten gelöst:
    • Auftragen einer ersten Schicht eines ersten Pulverwerkstoffgemisches und Verfestigen dieser ersten Schicht zu einem ersten Überzugsabschnitt;
    • Auftragen einer zweiten Schicht eines zweiten Pulverwerkstoffgemisches auf den hergestellten ersten Überzugsabschnitt und Verfestigen dieser zweiten Schicht zu einem neuen Überzugsabschnitt;
    • sukzessives Auftragen von weiteren Schichten aus Pulverwerkstoffgemischen auf den jeweils hergestellten neuen Überzugsabschnitt und sukzessives Verfestigen dieser weiteren Schichten zu einem jeweils neuen Überzugsabschnitt, bis zu einer vorbestimmten letzten Schicht mit einem letzten Pulverwerkstoffgemisch sowie Verfestigen der letzten Schicht zu einem Überzug, wobei das Verfestigen durch ein Strahlschmelzverfahren, vorzugsweise als ein Laser- oder Elektronenstrahlsinterverfahren, vorgesehen ist;
    • wobei das Pulverwerkstoffgemisch zumindest ein erstes Pulver und ein zweites Pulver umfasst, wobei der Anteil des zweiten Pulvers von der ersten Schicht bis zur letzten Schicht kontinuierlich zunimmt;
    • und wobei das zweite Pulver in Bezug auf hohe Temperaturen geeignete Eigenschaften, insbesondere Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen aufweist.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass Bauteile, welche direkt Heißgas ausgesetzt sind, Bereiche aufweisen, welche während der Betriebsbeanspruchung einen hohen Temperaturunterschied aufweisen. Daher ergeben sich verschiedene Anforderung an den Grundwerkstoff dieser Bauteile, gerade in diesen Bereichen. Erfindungsgemäß lassen sich mit diesem Verfahren Überzüge herstellen, welche durch die Zunahme des zweiten Pulvers bis zur letzten Schicht diesen thermischen Anforderungen gerecht werden. So kann das zweite Pulver sich lokal durch eine große Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen auszeichnen. Da der Anteil des zweiten Pulvers am Pulverwerkstoffgemisch mit zunehmender Anzahl der Schicht kontinuierlich vergrößert wurde, bedeutet dies, dass sich auch die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften mit zunehmender Schicht kontinuierlich ändern. Dies bedeutet zudem, dass die Wärmeausdehnung aufgrund der höheren Temperatur in beispielsweise der letzten Schicht genauso groß wie an der ersten Schicht ist, obwohl diese Schicht direkt dem Heißgas bzw. den höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Im optimalen Fall bedeutet das eine vollständige Kompensation der thermomechanischen Spannungen in dem Überzug.
  • Bevorzugt beträgt der Anteil des zweiten Pulvers bei der ersten Schicht 0%. In bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Anteil des ersten Pulvers bei der letzten Schicht 0%. Somit werden die geeigneten Eigenschaften des zweiten Pulvers in Bezug auf hohe Temperaturen maximiert.
  • Erfindungsgemäß wird die zweite Aufgabe mit der Angabe einer Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens gelöst, wobei:
    • zumindest ein erster Pulverförderer mit einem verfestigbaren Pulver vorgesehen ist,
    • zumindest ein zweiter Pulverförderer mit einem verfestigbaren Pulver vorgesehen ist,
    • wobei sich die zumindest zwei Pulverförderer separat ansteuern lassen, so dass sich die zumindest beiden, verfestigbaren Pulver in einem beliebigen Verhältnis mischen lassen.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich das oben beschriebene Verfahren sehr einfach und problemlos durchführen.
  • Erfindungsgemäß wird die dritte Aufgabe mit der Angabe eines Überzugs zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, insbesondere das einer Strömungskraftmaschine, umfassend zumindest eine erste Schicht mit einem ersten verfestigbaren Pulverwerkstoffgemisch und einer letzten Schicht mit einem letzten verfestigbaren Pulverwerkstoffgemisch, wobei zwischen der ersten und der letzten Schicht eine definierte Anzahl von weiteren Schichten von verfestigbaren Pulverwerkstoffgemischen vorgesehen ist, gelöst. Dabei besteht das verfestigbare Pulverwerkstoffgemisch aus zumindest einem ersten Pulver und einem zweiten Pulver, wobei der Anteil des zweiten Pulvers von der ersten Schicht bis zur letzten Schicht kontinuierlich zunimmt und wobei das zweite Pulver in Bezug auf hohe Temperaturen geeignete Eigenschaften, insbesondere Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen, aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Überzug geschaffen, der durch die verschiedene Pulverzusammensetzung in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Durch eine kontinuierliche Zunahme des zweiten Pulvers, änderen sich die Eigenschaften auch nicht abrupt, sondern gehen langsam ineinander über bzw. ändern sich kontinuierlich. In der Kraftwerkstechnik, insbesondere bei dem Einsatz in einer Gasturbine wird somit der Überzug beispielsweise an die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. an die zu erwartenden Temperaturgradienten angepasst. Dies bedeutet, dass die Wärmeausdehnung aufgrund der höheren Temperatur in beispielsweise der letzten Schicht genauso groß wie an der ersten Schicht ist, obwohl diese Schicht direkt dem Heißgas bzw. den höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Im optimalen Fall bedeutet das eine vollständige Kompensation der thermomechanischen Spannungen. Durch die Eigenschaften wie z.B. Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit ist ein solcher Überzug daher insbesondere für den Einsatz in Kraftwerken geeignet.
  • Bevorzugt ist der Anteil des zweiten Pulvers bei der ersten Schicht 0%. Insbesondere ist der Anteil des ersten Pulvers bei der letzten Schicht 0%. Somit werden die geeigneten Eigenschaften des zweiten Pulvers in Bezug auf hohe Temperaturen maximiert.
  • Bevorzugt ist der Überzug mit dem oben genannten generativen Verfahren und/oder der oben genannten Vorrichtung hergestellt. Dadurch kann der Überzug besonders einfach hergestellt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die dritte Aufgabe mit der Angabe eines Bauteilfertigungsverfahrens, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils, umfassend eines Basisbauteils und eines oben genannten Überzugs gekennzeichnet durch folgende Schritte, gelöst:
    • Zuschnitt des Überzugs auf das Basisbauteil,
    • Verbinden des Überzugs und des Basisbauteils zu einem Endbauteil,
    • Rekonturierung des Endbauteils durch Nachbearbeitung.
  • Durch das erfindungsgemäße Bauteilfertigungsverfahren ist nun eine Reparatur von z.B. hochtemperaturbelasteten Bauteilen mit einem geeigneten Überzug möglich. Der Überzug kann dabei separat gefertigt werden und an Ort und Stelle des zu reparierenden Bauteils an/in dieses an/ein-gefügt werden. Auch ist selbstverständlich eine Anwendung am Neuteil möglich; so kann beispielsweise eine Schaufel ohne eine Spitze gegossen werden und die Spitze aus einem Überzug gefertigt werden. Dadurch kann eine besonders temperaturbeständige Schaufel mit einer langen Lebensdauer gefertigt werden.
  • Bevorzugt erfolgt das Verbinden durch Fügen, insbesondere Reibschweißen. Es kann aber auch jedes andere Schweiß-/Fügeverfahren herangezogen werden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung entsteht durch das Verbinden durch Reibschweißen des Überzugs und des Basisbauteils ein Abrieb. Die Rekonturierung des Endbauteils beinhaltet die Nachbearbeitung des Abriebs durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Drehen oder Fräsen. Dies lässt sich besonders einfach bewerkstelligen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung wird der Überzug vor dem Verbinden mit dem Basisbauteil wärmebehandelt. Dies kann beispielsweise ein heißisostatisches Pressen (HIP-Prozess) sein, um die optimalen mechanischen Eigenschaften einzustellen und gegebenenfalls um Heißrisse zu beseitigen. Bevorzugt wird auch das Endbauteil wärmebehandelt, damit das Gefüge die optimalen Eigenschaften bekommt.
  • Erfindungsgemäß wird die vierte Aufgabe mit der Angabe eines Bauteils gelöst, welches gemäß dem obigen Bauteilfertigungsverfahren repariert oder hergestellt ist.
  • Dies kann insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine sein, z.B. eine Schaufel. Dabei weist die Schaufel an ihrer Spitze, welche durch die letzte Schicht gebildet wird, einen großen Anteil an dem zweiten Pulver auf, welches z.B. ein thermisch hoch belastbarer Werkstoff ist. So kann z.B. der Wärmeausdehnungskoeffizient an der Spitze des Bauteils bzw. des Überzugs an die zu erwartenden Temperaturgradienten angepasst werden. Selbstverständlich kann das zweite Pulver auch andere oder zusätzliche Eigenschaften aufweisen.
  • Bevorzugt weist das erste Pulver ähnliche oder gleiche Materialeigenschaften wie das Basisbauteil auf. Wird als Materialeigenschaft die Wärmeausdehnung gewählt, so kann mittels dieser Kombination eingestellt werden, dass die Wärmeausdehnung aufgrund der höheren Temperatur an der letzten Schicht (Spitze) des Überzugs gerade so groß ist wie bei der ersten Schicht des Überzugs, obwohl zwischen der Spitze und der ersten Schicht des Überzugs ein großer Temperaturgradient besteht. Dies bedeutet eine vollständige Kompensation der thermomechanischen Spannungen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
    • FIG 1:
    eine Turbinenschaufel mit Riss,
    FIG 2:
    einen erfindungsgemäßen Überzug und einen Basisflügel,
    FIG 3:
    Verbinden des erfindungsgemäßen Überzugs mit einem Basisflügel,
    FIG 4:
    zwei Pulverförderer mit Mischdüse.
  • FIG 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1 mit einem Flügelprofil 3 nach dem Stand der Technik. Diese weist einen Schaufelfuß 2 auf. Zudem umfasst die Schaufel 1 eine Spitze 4, welche eine Krone 5 mit einem inneren Kronenboden 6 und einer äußeren Kronenkante 7 aufweist. Die Turbinenschaufel 1 ist dafür konstruiert, innerhalb eines Gehäuses (nicht abgebildet) zu rotieren. Es ist wichtig, dass die Schaufelspitze 4 präzise in das Gehäuse (nicht gezeigt) passt, um ein außen Herumströmen der Verbrennungsgase an der Schaufelspitze 4 möglichst weitgehend zu verhindern, da die diesen Nebenweg nehmenden Gase keine Energie auf das Flügelprofil 3 der Schaufel 1 übertragen.
  • Die Schaufel 1 kann an ihrer Spitze eine Wärmedämmschicht aufweisen. Trotzdem können in der Krone 5 der Turbinenschaufel 1 ein oder mehrere Risse 10 entstehen, und zwar wegen einer beim Betrieb der Turbine auftretenden und an der Schaufelspitze 4 wirksam werdenden Materialermüdung bei niedriger Lastspielzahl. Wenn ein Riss 10 eine kritische Länge überschreitet, muss die Turbinenschaufel 1 außer Betrieb genommen und/oder repariert werden. Bisher wurden Risse 10, sofern sie nicht eine kritische Länge überschreiten mit Laserstrahl-Auftragsschweißen z.B. mit dem Zusatzwerkstoff oder durch z.B. das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißverfahren) repariert.
  • Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Kronenboden 6 und der Kronenkante 7 während der Betriebsbeanspruchung ergeben sich für die Schaufelreparatur oder eine Neuteileanfertigung verschiedene Anforderungen an den Werkstoff. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Werkstoff am Kronenboden 6, das heißt am Übergang von dem Flügelprofil 3 zur Krone 5 etwa artgleich zu dem Werkstoff des Flügelprofils 3 sein sollte, damit unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten nicht zu kritischen Belastungen während der Aufheizphase oder Abkühlphase im Betrieb der Turbinenschaufel 1 führen. An der Kronenkante 7 der Spitze 4 wird lokal eine große Verschleißbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit gefordert, die sich mit der chemisch / metallurgischen Zusammensetzung des Flügelprofils 3 nicht in Einklang bringen lässt.
  • FIG 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Überzug 35, welcher zur Reparatur der Schaufelspitze 4 verwendet werden kann. Dazu kann die Schaufelspitze 4 zunächst erst einmal ganz entfernt werden, so dass ein Basisflügel 15, welcher identisch mit dem Flügelprofil 3 sein kann, übrig bleibt. Der Überzug 35 umfasst zumindest eine erste Schicht 21 mit einem ersten verfestigten Pulverwerkstoffgemisch und einer letzten Schicht 25 umfassend ein letztes verfestigtes Pulverwerkstoffgemisch, sowie zwischen der ersten und der letzten Schicht 25 eine definierte Anzahl von weiteren Schichten 22-24, wobei die Anzahl hier nicht auf drei festgelegt ist. Auch kann die Anzahl selbstverständlich Null sein; d.h. es kann keine weitere Schicht vorgesehen sein.
  • Dabei besteht das verfestigte Pulverwerkstoffgemisch aus zumindest einem ersten Pulver 100 und einem zweiten Pulver 200, wobei der Anteil des zweiten Pulvers 200 von der ersten Schicht 21 bis zur letzten Schicht 25 zunimmt. Dies kann bei sehr feinen Schichten 21-25 eine kontinuierliche stetige Zunahme sein. Das Pulverwerkstoffgemisch kann selbstverständlich auch aus mehreren Pulvern bestehen. Dabei besteht die erste Schicht 21, welche später mit einem Basisbauteil hier einem Basisflügel 15 verbunden wird, zunächst nur aus einem ersten Pulver 100. Dieses erste Pulver 100 wird später oder beim Auftragen zu einem ersten, verfestigten Pulver 100. Das Pulver 100 bzw. das verfestigte Pulver 100 ist dabei ähnlich oder gleich dem Material und/oder besitzt ähnliche oder gleiche Eigenschaften, wie der Basisflügel 15. Dabei ist als ähnliche oder gleiche Eigenschaft vor allem der thermische Ausdehnungskoeffizient zu nennen. Das Pulver 100 wird beispielsweise auf eine Form 50 (FIG 4) aufgetragen und anschließend zu einem ersten Überzugsabschnitt 31 verfestigt. Auch kann die Form 50 (FIG 4) selbstverständlich der Basisflügel 15 selbst sein.
  • Bei den nachfolgenden Schichten 22-24 wird dem ersten Pulver 100 zumindest ein zweites Pulver 200 zu einem zweiten Pulverwerkstoffgemisch beigemischt. Durch das Auftragen des zweiten Pulverwerkstoffgemisches auf den hergestellten ersten Überzugsabschnitt 31 wird eine zweite Schicht 22 generiert, welche sich anschließend mit dem ersten Überzugsabschnitt 31 zu einem neuen Überzugsabschnitt 32 verfestigt. Die nachfolgenden Schichten 23 und 24 werden sukzessive auf den dazu analog gefertigten Überzugsabschnitten 32 und 33 auftragen. Die letzte Schicht 25 wird daher auf einen Überzugsabschnitt 34 aufgetragen.
  • Dabei hat das Pulver 200 nun Eigenschaften, welche insbesondere für hohe Temperaturen benötigt werden. Erfindungsgemäß wird der Anteil des Pulvers 200 am Pulverwerkstoffgemisch mit zunehmender Anzahl der Schichten vergrößert. Die letzte Schicht 25, also diejenige Schicht, welche der heißen Temperatur insbesondere durch Heißgas direkt ausgesetzt ist, besteht im Wesentlichen nur noch aus dem Pulver 200, welches anschließend oder beim Auftragen verfestigt wird. Dabei ist das verfestigte Pulver 200 später direkt dem Heißgas bzw. den heißen Temperaturen ausgesetzt. Das verfestigte Pulver 200 der letzten Schicht 25 stellt sozusagen dabei später die Kronenkante 7 dar. Dabei hat das verfestigte Pulver 200 nun Eigenschaften, welche insbesondere für hohe Temperaturen benötigt werden. Dies sind vor allem Verschleißbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit und ein geringer Temperaturausdehnungskoeffizient. Da der Anteil des Pulvers 200 am Pulverwerkstoffgemisch mit zunehmender Anzahl der Schicht kontinuierlich vergrößert wurde, bedeutet dies, dass sich auch die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften mit zunehmender Schicht kontinuierlich ändern. Die Schaufelspitze 4 wird daher graduiert hergestellt.
  • Selbstverständlich können auch mehr als zwei Pulver 100 und 200 miteinander gemischt werden. Die Mischung der zumindest zwei Pulver 100 und Pulver 200 kann durch zwei separat ansteuerbare Pulverförderer 101 und 201 und eine koaxiale Mischungsdüse 70 erfolgen (FIG 4). Durch das separate Ansteuern der Pulverförderer 101 und 201 (FIG 4) lässt sich das Pulverwerkstoffgemisch in einem beliebigen Verhältnis mischen. Anschließend wird das Gemisch auf eine Form 50 (FIG 4) aufgebracht und verfestigt.
  • Da die letzte Schicht 25 direkt dem Heißgas bzw. den heißen Temperaturen ausgesetzt ist, benötigt das letzte verfestigte Pulver 200 auch einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, als die Schicht 21 des ersten verfestigten Pulvers 100 sowie dem Basisflügel 15 und zwar so, dass die Wärmeausdehnung an der letzten Schicht 25 genauso groß ist, wie an der ersten Schicht 21. Dies, und die kontinuierliche Änderung der mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften mit zunehmender Schicht führen idealerweise zu einer nahezu vollständigen Kompensation der thermischen Spannungen im Betrieb der Schaufel 1 und zu verminderter Rissbildung.
  • Das Verfestigen der Schicht kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen. Dies kann beispielsweise ein Auftragsschweißen oder Lasersintern / Laserschmelzen mittels einer Wärmequelle 60 (FIG 4) oder ein anderes generatives Fertigungsverfahren sein. Die Schichten 21-25 werden so miteinander stoffschlüssig verbunden und bilden dadurch letztendlich den gewünschten Überzug 35 aus.
  • Anschließend wird der Überzug 35 passend zur Basisschaufel 15 zugeschnitten, z.B. kann der Zuschnitt des Überzugs 35 als Ersatzschaufelspitze 30 (FIG 3) sein. Selbstverständlich kann der Überzug 35 auch auf jedes andere Bauteil zugeschnitten werden, z.B. Hitzeschildsteine oder andere Teile im Kraftwerk. Auch außerhalb der Kraftwerkstechnik ist ein Einsatz denkbar. Nach dem Zuschnitt kann die Ersatzschaufelspitze 30 (FIG 3) wärmebehandelt werden, z.B. durch heißisostatisches Pressen (HIP), um Fügefehler zu beseitigen und um die optimalen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Anschließend wird die Ersatzschaufelspitze 30 (FIG 3) an die Basisschaufel 15 (FIG 3) zu einer Ersatzschaufel 41 (FIG 3) gefügt 12. Dabei kann das Fügen 12 z.B. mittels Reibschweißen (FIG 3) oder andere bekannter Fügeverfahren erfolgen.
  • Der durch das Fügen 12 entstehende Abrieb oder Grate oder Nähte, werden durch eine Nachbearbeitung (Rekonturierung) mittels mechanischer Bearbeitung, z.B. Fräsen oder Schleifen behoben. Anschließend kann die Ersatzschaufel 41 (FIG 3) nochmalig wärmebehandelt werden.
  • Mittels der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich neue Schaufeln herzustellen. Dazu kann die Basisschaufel 15 hergestellt werden und wie oben beschrieben fortgefahren werden oder es wird die komplette Schaufel 1 (FIG 1) graduiert, wie oben beschrieben, hergestellt. Selbstverständlich können auch andere Bauteile, wie Brenner, Hitzeschilde etc. mit der Erfindung gefertigt oder repariert werden. Durch die Erfindung ist es möglich, die thermomechanische Spannung im Betrieb bei hochtemperaturbelasten Bauteilen zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Eine Rissbildung oder Degradation kann somit vermieden werden. Die Bauteile weisen somit eine wesentlich längere Lebensdauer auf.

Claims (15)

  1. Generatives Verfahren insbesondere zur Herstellung eines Überzugs (35) mit folgenden Schritten:
    - Auftragen einer ersten Schicht (21) eines ersten Pulverwerkstoffgemisches und Verfestigen dieser ersten Schicht zu einem ersten Überzugsabschnitt (31);
    - Auftragen einer zweiten Schicht (22) eines zweiten Pulverwerkstoffgemisches auf dem hergestellten ersten Überzugsabschnitt (31) und Verfestigen dieser zweiten Schicht (22) zu einem neuen Überzugsabschnitt (32);
    - sukzessives Auftragen von weiteren Schichten (23-24) aus Pulverwerkstoffgemischen auf den jeweils hergestellten neuen Überzugsabschnitt (32-33) und sukzessives Verfestigen dieser weiteren Schichten (23-24) zu einem jeweils neuen Überzugsabschnitt (33-34), bis zu einer vorbestimmten letzten Schicht (25) mit einem letzten Pulverwerkstoffgemisch sowie Verfestigen der letzten Schicht (25) zu einem Überzug (35), wobei das Verfestigen durch ein Strahlschmelzverfahren, vorzugsweise als ein Laser- oder Elektronenstrahlsinterverfahren, vorgesehen ist;
    - und wobei das Pulverwerkstoffgemisch zumindest ein erstes Pulver (100) und ein zweites Pulver (200) umfasst, wobei der Anteil des zweiten Pulvers (200) von der ersten Schicht (21) bis zur letzten Schicht (25) kontinuierlich zunimmt;
    - und wobei das zweite Pulver (200) in Bezug auf hohe Temperaturen geeignete Eigenschaften, insbesondere Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen aufweist.
  2. Generatives Verfahren zur Herstellung eines Überzugs (35) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Pulvers (200) bei der ersten Schicht (21) 0% beträgt.
  3. Generatives Verfahren zur Herstellung eines Überzugs (35) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Pulvers (100) bei der letzten Schicht (25) 0% beträgt.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zumindest ein erster Pulverförderer (101) mit einem verfestigbaren Pulver (100) vorgesehen ist,
    - zumindest ein zweiter Pulverförderer (201) mit einem verfestigbaren Pulver (200) vorgesehen ist,
    - wobei sich die zumindest zwei Pulverförderer (101,201) separat ansteuern lassen, so dass sich die zumindest beiden verfestigbaren Pulver (100,200) in einem beliebigen Verhältnis mischen lassen.
  5. Überzug (35) zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, insbesondere das einer Strömungskraftmaschine umfassend zumindest einer ersten Schicht (21) mit einem ersten verfestigbaren Pulverwerkstoffgemisch und einer letzten Schicht (25) mit einem letzten verfestigbaren Pulverwerkstoffgemisch, wobei zwischen der ersten (21) und der letzten Schicht (25) eine definierten Anzahl von weiteren Schichten (22-24) von verfestigbaren Pulverwerkstoffgemischen vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigbare Pulverwerkstoffgemisch aus zumindest einem ersten Pulver (100) und einem zweiten Pulver (200) besteht, wobei der Anteil des zweiten Pulvers (200) von der ersten Schicht (21) bis zur letzten Schicht (25) kontinuierlich zunimmt und wobei das zweite Pulver (200) in Bezug auf hohe Temperaturen geeignete Eigenschaften, insbesondere Verschleißbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit und/oder einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Bezug auf hohe Temperaturen, aufweist.
  6. Überzug (35) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Pulvers (200) bei der ersten Schicht (21) 0% ist.
  7. Überzug (35) nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Pulvers (100) bei der letzten Schicht (25) 0% ist.
  8. Überzug (35) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welcher mit dem generativen Verfahren nach Anspruch 1 und 3 und/oder der Vorrichtung nach Anspruch 4 hergestellt ist.
  9. Bauteilfertigungsverfahren, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils, umfassend ein Basisbauteil (15) und einen Überzug (35) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch
    folgende Schritte:
    - Zuschnitt des Überzugs (35) auf das Basisbauteil (15),
    - Verbinden des Überzugs (35) und des Basisbauteils (15) zu einem Endbauteil,
    - Rekonturierung des Endbauteils durch Nachbearbeitung.
  10. Bauteilfertigungsverfahren nach Anspruch 9, insbesondere zur Reparatur eines Bauteils,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Fügen (12), insbesondere Reibschweißen erfolgt.
  11. Bauteilfertigungsverfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch Verbinden des Überzug (35) und des Basisbauteils (15) durch Reibschweißen ein Abrieb entsteht und die Rekonturierung des Endbauteils die Nachbearbeitung des Abriebs durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Drehen oder Fräsen, beinhaltet.
  12. Bauteilfertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug (35) vor dem Verbinden mit dem Basisbauteil (15) wärmebehandelt wird.
  13. Bauteilfertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, d a s s das Endbauteil wärmebehandelt wird.
  14. Bauteil, welches gemäß einem Bauteilfertigungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, repariert oder hergestellt ist.
  15. Bauteil nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver (100) ähnliche oder gleiche Materialeigenschaften wie das Basisbauteil (15) aufweist.
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