DE102008057162A1 - Method for repairing the component of a gas turbine - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der durch Reibverschleiß beschädigte Bereich eines Bauteils, insbesondere die Zahnflanke und/oder die Stirnfläche einer Verzahnung, durch übliche Bearbeitungsverfahren abgetragen wird. Das auf diese Weise vorbehandelte Bauteil wird in einer Anlage zum Kaltgasspritzen im beschädigten Bereich mit einer Schicht aus dem Bauteilwerkstoff versehen. Zur Herstellung der Schicht wird ein Pulver aus dem Bauteilwerkstoff bereitgestellt und durch Kaltgasspritzen auf dem beschädigten und vorbehandelten Bereich abgeschieden. Die so abgeschiedene Schicht wird dann zur Wiederherstellung der ursprünglichen Geometrie des Bauteils nachbearbeitet.The invention relates to a method in which the region of a component damaged by fretting abrasion, in particular the tooth flank and / or the end face of a toothing, is removed by conventional machining processes. The component pretreated in this way is provided with a layer of the component material in a system for cold gas spraying in the damaged area. To produce the layer, a powder of the component material is provided and deposited by cold gas spraying on the damaged and pretreated area. The thus deposited layer is then reworked to restore the original geometry of the component.

Description

Translated fromGerman

DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines durch Reibverschleiß beschädigtenBauteils einer Gasturbine sowie ein durch das Verfahren erhältlichesBauteil.TheThe invention relates to a method of repairing a damaged by frettingComponent of a gas turbine and an obtainable by the methodComponent.

ImTriebwerksbau werden die Drehmomente an den Rotoren üblicherweisedurch formschlüssige Steckverzahnungen, insbesondere Curvic-Verzahnungen, übertragen.Zwischen den jeweiligen Zahnflanken der Steckverzahnungen könnenfertigungsbedingte geringe Toleranzen auftreten. Durch Mikrobewegungenkann es daher im Verbindungsbereich der Verzahnungen, insbesonderean den Zahnflanken und/oder der Stirnfläche der Verzahnung,zu einem erhöhten Reibverschleiß (Fretting) kommen.in theEngine building usually the torques on the rotorsby positive splines, in particular Curvic gears transmitted.Between the respective tooth flanks of the splines canProduction-related low tolerances occur. By micro-movementsIt may therefore be in the connection region of the teeth, in particularon the tooth flanks and / or the end face of the toothing,come to an increased fretting (fretting).

AusderDE 103 47 363A1 ist bekannt, hochbelastete metallische Bauteile miteiner Verschleißschutzschicht zu versehen. DieDE 10 2006 058 677 A1 schlägtvor, die Oberfläche der Verzahnungen durch Ultraschall-Kugelstrahlenzu verfestigen, um die Gefahr eines Reibverschleißes zuvermindern. Als weitere Verfestigungsverfahren sind Laser-Shock-Peening,Strahlen und Festwalzen bekannt. Ferner wurde bereits vorgeschlagen,die Verzahnungen mit weichen, schmierenden Bestandteilen wie Molybdändisulfidoder Graphit zu versehen.From the DE 103 47 363 A1 It is known to provide highly stressed metallic components with a wear protection layer. The DE 10 2006 058 677 A1 proposes to solidify the surface of the gears by ultrasonic shot peening to reduce the risk of frictional wear. Further solidification methods known include laser shock peening, blasting and deep rolling. Furthermore, it has already been proposed to provide the gears with soft lubricating components such as molybdenum disulfide or graphite.

Dievorgenannten Maßnahmen beziehen sich jedoch alle auf Bauteileim Neuzustand. Insbesondere bei der Verzahnung von Bauteilen ausunterschiedlichen Werkstoffen wie Inconel 718, Udimet 720 oder pulvermetallurgischhergestellten Legierungen kann das Fretting aber nicht vollständigunterdrückt werden, da der weichere Materialpartner vorzeitigverschleißt.TheHowever, the above measures all relate to componentsin new condition. Especially with the teeth of componentsdifferent materials such as Inconel 718, Udimet 720 or powder metallurgicalHowever, the fretting can not be completely finishedbe suppressed because the softer material partner prematurelywears.

Aufgabeder Erfindung ist daher, ein Reparaturverfahren für dieBauteile einer Gasturbine bereitzustellen, die durch Reibverschleiß beschädigtsind, das einfach und kostengünstig durchzuführenist und die Bauteilbelastung gering hält.taskThe invention is therefore a repair method for theTo provide components of a gas turbine, which is damaged by frettingare that simple and inexpensive to performis and keeps the component load low.

DieseAufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahrenmit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gegenstand derErfindung ist ferner ein durch dieses Verfahren erhältlichesBauteil gemäß Anspruch 10.TheseThe object is achieved by a methodsolved with the features of claim 1. Subject of theInvention is also available by this methodComponent according to claim 10.

Beidem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen,dass der durch Reibverschleiß beschädigte Bereichdes Bauteils, insbesondere die Zahnflanke und/oder die Stirnflächeeiner Verzahnung, durch übliche Bearbeitungsverfahren abgetragen wird.Das auf diese Weise vorbehandelte Bauteil wird in einer Anlage zumKaltgasspritzen im beschädigten Bereich mit einer Schichtaus dem Bauteilwerkstoff versehen. Zur Herstellung der Schicht wirdein Pulver aus dem Bauteilwerkstoff bereitgestellt und durch Kaltgasspritzenauf dem beschädigten und vorbehandelten Bereich abgeschieden.Die so abgeschiedene Schicht wird dann zur Wiederherstellung derursprünglichen Geometrie des Bauteils nachbearbeitet.atthe method according to the invention is providedthat the area damaged by fretting wearof the component, in particular the tooth flank and / or the end facea toothing, removed by conventional machining methods.The thus pretreated component is in a plant forCold gas spraying in the damaged area with a layerprovided from the component material. To make the layer isa powder made of the component material and by cold gas sprayingdeposited on the damaged and pretreated area.The layer thus deposited is then used to restore thethe original geometry of the component.

BeimKaltgasspritzen, das auch als kaltkinetisches Kompaktieren oderK3-Verfahren bekannt ist, kommen pulverförmige Werkstoffezum Einsatz, die Korngrößen von größer5 μm, idealerweise zwischen 20 und 40 μm aufweisen.Die Werkstoffpulver werden auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt,dass die kinetische Energie der Werkstoffpartikel zur Ausbildungeines dichten Schichtverbundes ausreicht. Die erreichbare Pulvergeschwindigkeitliegt je nach Pulverart und anderer Parameter bei bis zu 2000 m/s. DasVerspritzen von Nanopulvern zur Herstellung nanostrukturierter Beschichtungenist beispielsweise in derEP1 806 429 A1 beschrieben.In cold gas spraying, which is also known as cold kinetic compacting or K3 process, powdery materials are used, the grain sizes of greater than 5 microns, ideally between 20 and 40 microns have. The material powders are accelerated to such high speeds that the kinetic energy of the material particles is sufficient to form a dense layer composite. The achievable powder speed is up to 2000 m / s, depending on the type of powder and other parameters. The spraying of nanopowders for the production of nanostructured coatings is described, for example, in US Pat EP 1 806 429 A1 described.

Durchdas Kaltgasspritzverfahren lassen sich hervorragend dichte Schichtenabscheiden. Wegen der niedrigen Arbeits- und Substrattemperaturen isteine thermische Schädigung des zu reparierenden Bauteilsausgeschlossen. Insbesondere bei Bauteilen aus Nickelbasislegierungenlassen sich gute Schichtqualitäten mit einem feinkörnigenGefüge herstellen, das hohe Belastungen erträgt.Besonders vorteilhaft ist, dass das Kaltgasspritzen die Beimischungweiterer Zuschläge erlaubt, so dass die Werkstoffeigenschaftendes Bauteils im Verschleißbereich verbessert werden können.Nach der Wiederherstellung der Originalgeometrie kann das reparierteBauteil durch Standardverfahren weiter verfestigt und die Beständigkeitgegen Reibverschleiß verbessert werden. Es ist auch möglich,die Verfestigung vor der Endbearbeitung zur Herstellung der Originalgeometriedes Bauteils durchzuführen.ByThe cold spraying process can be excellent dense layersdeposit. Because of the low working and substrate temperatures isa thermal damage to the component to be repairedlocked out. Especially with components made of nickel-based alloyscan be good layer qualities with a fine-grainedProducing microstructures that endure high loads.It is particularly advantageous that the cold gas spraying the admixturefurther surcharges allowed, allowing the material propertiesof the component in the wear area can be improved.After restoring the original geometry, the repairedComponent further solidified by standard methods and the resistancebe improved against fretting. It is also possible,solidification prior to finishing to produce the original geometryof the component.

Besondersgeeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zurReparatur von Steckverzahnungen wie Curvic-Verzahnungen und teurenBauteilen wie HDV-Trommeln mit rückseitigem Zahnkranz.Especiallythe process according to the invention is suitable forRepair of splines such as Curvic gears and expensiveComponents such as HDV drums with back sprocket.

VorteilhafteWeiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchenangegeben.advantageousFurther developments of the invention are in the subclaimsspecified.

WeitereMerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenBeschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme aufdie Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:FurtherFeatures and advantages of the invention will become apparent from the followingDescription of preferred embodiments with reference tothe drawing. In the drawing shows:

1 schematischeine Anlage zur Durchführung des Kaltgasspritzverfahrens. 1 schematically a plant for carrying out the cold gas spraying process.

DasPulver für die Beschichtung wird durch eine Düse12 aufdas zu beschichtende Bauteil10 aufgespritzt, sodass sichdort eine Beschichtung14 bildet. Das Pulver kommt auseinem oder mehreren Pulverbehältern16, wobeider für das Kaltgasspritzen notwendige Druck durch einenHochdruckgaserzeuger18 erzeugt wird. Das Hochdruckgasdient als Trägergas für das Pulver, das dem Hochdruckgasin der Düse12 zugeführt wird, so dassein kalter Partikelstrom20 entsteht. Das Hochdruckgaskann ggf. mittels eines Heizers22 erhitzt werden. DerHeizer22 kann im Hochdruckgaserzeuger integriert sein. Fernerkönnen ein oder mehrere Beeinflussungsmittel (nicht gezeigt)vorhanden sein, die zumindest eine Eigenschaft des kalten Partikelstroms20 (z.B. Temperatur, Druck, Partikeldichte, Partikelmaterial, Geschwindigkeit,etc.) verändern bzw. modulieren. Diese Beeinflussung derEigenschaften des Partikelstroms7 kann periodisch oderaperiodisch während des Beschichtungsvorgangs erfolgen.Ebenso kann während des Beschichtungsvorgangs auf Beschichtungszeitenmit periodischen Änderungen eine aperiodische Änderungfolgen oder umgekehrt.The powder for the coating is through a nozzle 12 on the component to be coated 10 sprayed on, so there is a coating 14 forms. The powder comes from one or more powder containers 16 , where the for the cold gas necessary pressure by a high-pressure gas generator 18 is produced. The high-pressure gas serves as a carrier gas for the powder, which is the high-pressure gas in the nozzle 12 is supplied, so that a cold particle flow 20 arises. The high-pressure gas may optionally by means of a heater 22 to be heated. The heater 22 can be integrated in the high-pressure gas generator. Furthermore, one or more influencing means (not shown) may be present which have at least one cold particle stream property 20 (eg temperature, pressure, particle density, particulate matter, speed, etc.) change or modulate. This influence on the properties of the particle stream 7 may be periodic or aperiodic during the coating process. Similarly, during the coating process, coating times with periodic changes may be followed by an aperiodic change or vice versa.

Kaltgasspritzenbedeutet, dass die Temperaturen der Spritzpartikel deren Schmelzpunktnicht überschreiten. Die Substrattemperatur, d. h. dieTemperatur des zu beschichtenden Bauteils, liegt bei höchstens300°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 200°C.Die Teilchengeschwindigkeiten betragen etwa 300 m/s bis 2000 m/s,insbesondere bis 900 m/s. Die Anlage zum Kaltgasspritzen kann ineiner Vakuumkammer angeordnet sein.Cold Sprayingmeans that the temperatures of the spray particles their melting pointdo not exceed. The substrate temperature, d. H. theTemperature of the component to be coated is at most300 ° C, preferably between 80 ° C and 200 ° C.The particle speeds are about 300 m / s to 2000 m / s,in particular up to 900 m / s. The plant for cold gas spraying can inbe arranged a vacuum chamber.

Dieniedrige Bauteiltemperatur beim Kaltgasspritzverfahren gewährleistet,dass keine Gefahr von Oxidation, Verzug oder thermischer Schädigungbesteht. Die durch das Kaltgasspritzverfahren erzeugten Schichtensind ausreichend dicht, wenig porös und weisen eine hervorragendeHaftfestigkeit auf. Die Schichten können ferner durch nachfolgendeBearbeitung weiter verfestigt werden.Theensures low component temperature during the cold gas spraying process,that there is no risk of oxidation, distortion or thermal damageconsists. The layers produced by the cold gas spraying processare sufficiently dense, less porous and have a superbAdhesive strength. The layers may be further characterized by the followingProcessing further solidified.

Erfindungsgemäß istdaher vorgesehen, dass der durch Reibverschleiß beschädigteBereich des Bauteils, insbesondere die Zahnflanke und/oder die Stirnseiteeiner Verzahnung, durch übliche Bearbeitungsverfahren abgetragenwird.According to the inventiontherefore provided that the damaged by frettingArea of the component, in particular the tooth flank and / or the front sidea gearing, removed by conventional machining methodsbecomes.

DasBauteil besteht vorzugsweise aus einer im Triebwerksbau üblicherweiseverwendeten Legierung, insbesondere aus einer Nickelbasislegierung, einerNickel-Superlegierung oder einer pulvermetallurgisch hergestelltenLegierung.TheComponent preferably consists of one in engine construction usuallyused alloy, in particular of a nickel-based alloy, aNickel superalloy or a powder metallurgical producedAlloy.

AlsBearbeitungsverfahren kommen insbesondere die auch fürdie Herstellung der Originalbauteile verwendeten Verfahren mechanischen,chemischen und elektrochemischen Verfahren wie Schleifen, Lappen,Fräsen, Ätzen, Elektropolieren und elektrochemischesBearbeiten (ECM) in Frage.WhenProcessing methods are used in particular forthe manufacture of original components used mechanical,chemical and electrochemical processes such as grinding, rags,Milling, etching, electropolishing and electrochemicalEdit (ECM) in question.

Dasauf diese Weise vorbehandelte Bauteil wird in der oben beschriebenenAnlage zum Kaltgasspritzen im beschädigten Bereich miteiner Schicht aus dem Bauteilwerkstoff versehen. Zur Herstellung derSchicht wird ein Pulver aus dem Bauteilwerkstoff bereitgestelltund durch Kaltgasspritzen auf dem beschädigten und vorbehandeltenBereich abgeschieden.Thecomponent pretreated in this way is described in the abovePlant for cold gas spraying in the damaged area witha layer of the component material provided. For the production ofLayer, a powder is provided from the component materialand by cold gas spraying on the damaged and pretreatedArea deposited.

DasKaltgasspritzen wird bevorzugt so durchgeführt, dass dieTemperatur des zu beschichtenden Bauteils höchstens 300°Cbeträgt.TheCold gas spraying is preferably carried out so that theTemperature of the component to be coated at most 300 ° Cis.

AlsPulver zur Herstellung der Beschichtung wird vorzugsweise ein Pulveraus einer Nickelbasislegierung, einer Nickel-Superlegierung odereiner pulvermetallurgisch hergestellten Legierung verwendet. Besondersbevorzugt weist das Pulver eine Korngröße vonetwa 5 bis 80 μm auf.WhenPowder for the production of the coating is preferably a powderfrom a nickel-based alloy, a nickel superalloy ora powder metallurgically produced alloy used. EspeciallyPreferably, the powder has a grain size ofabout 5 to 80 microns.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann dem Pulver aus dem Bauteilwerkstoffzur Herstellung einer Beschichtung mit verbesserter Beständigkeitgegen Reibverschleiß ein feinteiliges Hartstoffpulver zugemischtwerden. Der Hartstoff wird dann homogen in der Beschichtung verteilt.According to oneAnother embodiment may be the powder of the component materialfor producing a coating with improved resistanceagainst friction wear a finely divided hard material powder mixedbecome. The hard material is then distributed homogeneously in the coating.

Diedurch Kaltgasspritzen auf dem beschädigten und vorbehandeltenBereich des Bauteils abgeschiedene Beschichtung wird danach zurWiederherstellung der ursprünglichen Geometrie des Bauteilsnachbearbeitet. Auch die Nachbearbeitung kann mittels der oben genanntenmechanischen, chemischen und elektrochemischen Bearbeitungsverfahrenerfolgen, wie sie für die Herstellung der Originalbauteile üblichsind.Theby cold gas spraying on the damaged and pretreatedArea of the component deposited coating is then toRestoration of the original geometry of the componentreworked. Also, the post-processing can be done by means of the abovemechanical, chemical and electrochemical machining processesas is customary for the production of the original componentsare.

Besondersbevorzugt umfasst das Nachbearbeiten der in dem beschädigtenBereich abgeschiedenen Beschichtung die Verfestigung der Schicht,insbesondere durch Strahlen ganz besonders bevorzugt durch Ultraschall-Kugelstrahlen.EspeciallyPreferably, the reworking includes that in the damaged oneArea deposited coating the solidification of the layer,in particular by radiation very particularly preferably by ultrasonic shot peening.

DieVerfestigung der Beschichtung kann nach der Wiederherstellung derursprünglichen Bauteilgeometrie durchgeführt werden,oder als Zwischenschritt nach der Abscheidung der Beschichtung indem beschädigten Bereich und vor der weiteren Bearbeitungdes Bauteils zur Wiederherstellung der Originalgeometrie.TheSolidification of the coating can after the restoration of theoriginal part geometry to be performedor as an intermediate step after the deposition of the coating inthe damaged area and before further processingof the component for restoring the original geometry.

1010

Bauteilcomponent

1212

Düsejet

1414

Beschichtungcoating

1616

Pulverbehälterpowder container

1818

HochdruckgaserzeugerHigh-pressure gas generator

2020

Partikelstromparticle stream

2222

Heizerstoker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 10347363A1[0003]- DE 10347363 A1[0003]
• - DE 102006058677 A1[0003]- DE 102006058677 A1[0003]
• - EP 1806429 A1[0008]EP 1806429 A1[0008]

Claims (10)

Translated fromGerman

Verfahren zur Reparatur eines durch Reibverschleiß beschädigtenBauteils für eine Gasturbine, insbesondere einer Verzahnung,welches die folgenden Schritte umfasst: – Abtrageneines beschädigten Bereichs des Bauteils; – Bereitstelleneines Pulvers aus dem Bauteilwerkstoff und Kaltgasspritzen des Pulverszur Abscheidung einer Schicht aus dem Bauteilwerkstoff auf dem beschädigtenBereich; und – Nachbearbeiten der Schicht aus demBauteilwerkstoff zur Wiederherstellung der ursprünglichenGeometrie des Bauteils.Method of repairing a damaged by frettingComponent for a gas turbine, in particular a toothing,which includes the following steps:- removala damaged area of the component;- Providea powder of the component material and cold gas spraying of the powderfor depositing a layer of the component material on the damaged oneArea; and- rework the layer from theComponent material to restore the originalGeometry of the component.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Bauteil eine Curvic-Verzahnung ist.Method according to claim 1, characterized in thatthat the component is a curvic toothing.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das Bauteil aus einer Nickelbasislegierung, einer Nickel-Superlegierungoder einer pulvermetallurgisch hergestellten Legierung zusammengesetztist.Method according to claim 1 or 2, characterizedthat the component of a nickel-based alloy, a nickel superalloyor a powder metallurgically produced alloyis.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen des beschädigtenBereichs durch ein mechaniches, chemisches oder elektrochemischesVerfahren erfolgt.Method according to one of claims 1 to3, characterized in that the removal of the damagedArea by a mechaniches, chemical or electrochemicalProcedure is done.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltgasspritzen bei einer Bauteiltemperaturbis höchstens 300°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the cold gas spraying at a component temperatureup to 300 ° C.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass dass das Pulver eine Korngrößevon etwa 5 bis 80 μm aufweist.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the powder has a grain sizefrom about 5 to 80 microns.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass dem Pulver aus dem Bauteilwerkstoffein Hartstoffpulver zugemischt wird.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the powder of the component materiala hard material powder is mixed.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbearbeiten der auf dem beschädigtenBereich abgeschiedenen Schicht die Verfestigung der Schicht umfasst.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the reworking on the damagedArea deposited layer comprises the solidification of the layer.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Verfestigung durch Strahlen, insbesondere Ultraschall-Kugelstrahlen,erfolgt.Method according to claim 9, characterized in thatthat the solidification by radiation, in particular ultrasonic shot peening,he follows.Bauteil einer Gasturbine, erhältlich durchein Verfahren gemäß einem der Ansprüche1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Verzahnungist.Component of a gas turbine, available througha method according to any one of the claims1 to 9, characterized in that the component has a toothingis.