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Dokumentenidentifikation DE102006028297A1 27.12.2007
Titel Verfahren zur Reparatur von Einlaufbelägen
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Däubler, Manfred A., Dr., 85221 Dachau, DE;
Walter, Heinrich, 86316 Friedberg, DE;
Werner, André, Dipl.-Ing., 80995 München, DE
DE-Anmeldedatum 20.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028297
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F01D 11/12(2006.01)A, F, I, 20060620, B, H, DE
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Einlaufbelägen (12), insbesondere von Einlaufbelägen zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Auffüllen einer beschädigten Stelle (10) des Einlaufbelags (12) mit einem Werkstoff (18), dessen Werkstoffzusammensetzung derjenigen des Einlaufbelags (12) entspricht oder mit dieser vergleichbar ist oder dessen Werkstoffeigenschaften mit den Werkstoffeigenschaften des Einlaufbelags (12) vergleichbar sind; b) Trocknen des in die beschädigte Stelle (10) eingefüllten Werkstoffs (18); c) Auftrag einer Diffusionsspenderschicht (20) über den Bereich der beschädigten Stelle (10) und auf den eingefüllten Werkstoff (18) und d) Wärmebehandlung des Einlaufbelags (12) zumindest im Bereich der beschädigten Stelle (10) zur lokalen Eindiffusion von mindestens einem metallischen Element aus der Diffusionsspenderschicht (20) in den eingefüllten Werkstoff (18).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Einlaufbelägen, insbesondere von Einlaufbelägen zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten.

Einlaufbeläge kommen insbesondere bei so genannten Spalterhaltungssystemen in den Verdichter- und Turbinenkomponenten zur Anwendung. Dabei haben die Einlaufbeläge die Aufgabe, einen Dichtspalt von rotierender Beschaufelung zu einem Gehäuse als auch die Spalte von einer stehenden Beschaufelung zu den drehenden Rotornaben minimal zu halten und damit ein stabiles Betriebsverhalten bei hohem Wirkungsgrad zu garantieren. Dabei weisen in üblicher Weise die rotierenden Bauteile der Turbine Dichtfinnen auf, die in bekannter Weise gegen die Einlaufbeläge bzw. Dichtungen einlaufen. Eine derartige wabenförmige Dichtung ist durch die WO 2004/061340 A1 offenbart. Der genannte Einlaufvorgang kann aber zu Beschädigungen des Einlaufbelags führen, dahingehend, dass kein gleichmäßigen Abtrag des Einlaufbelags bzw. der Dichtung erfolgt, sondern es zu lokalen Beschädigungen in Form von unregelmäßig geformten und relativ tiefen Ausbrüchen aus dem Einlaufbelag kommt.

Die Spalterhaltung zwischen einem Rotor und einem Stator ist aber in Flugtriebwerken und Gasturbinen ein wesentlicher Faktor, der auf den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems Einfluss nimmt. Eine Verschlechterung, d.h. eine Vergrößerung des Spalts zwischen dem Rotor und dem Verdichtergehäuse, wie sie zum Beispiel durch die genannten lokalen Beschädigungen bewirkt wird, beeinflusst mit zunehmender Betriebszeit sowohl den Wirkungsgrad als auch die Pumpgrenze des Verdichters negativ.

Bei derartigen Beschädigungen des Einlaufbelags muss bisher der komplette Einlaufbelag entfernt und anschließend erneuert werden. Dies ist nachteiligerweise mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur von Einlaufbelägen, insbesondere von Einlaufbelägen zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bereitzustellen, mit dem eine kostengünstige und einfache Reparatur der Einlaufbeläge möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Reparatur von Einlaufbelägen, insbesondere von Einlaufbelägen zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Auffüllen einer beschädigten Stelle des Einlaufbelags mit einem Werkstoff, dessen Werkstoffzusammensetzung derjenigen des Einlaufbelags entspricht oder mit dieser vergleichbar ist oder dessen Werkstoffeigenschaften mit den Werkstoffeigenschaften des Einlaufbelags vergleichbar sind; b) Trocknen des in die beschädigte Stelle eingefüllten Werkstoffs; c) Auftrag einer Diffusionsspenderschicht über den Bereich der beschädigten Stelle und auf den eingefüllten Werkstoff; und d) Wärmebehandlung des Einlaufbelags zumindest im Bereich der beschädigten Stelle zur lokalen Eindiffusion von mindestens einem metallischen Element aus der Diffusionsspenderschicht in den eingefüllten Werkstoff. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zum ersten Mal ein Reparaturverfahren für Einlaufbeläge bereitgestellt, welches eine Reparatur von lokal begrenzten Beschädigungen des Einlaufbelags möglich macht. Da bei derartigen lokalen Beschädigungen nicht mehr der komplette Einlaufbelag entfernt werden muss, stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und kostengünstige Lösung zur Instandsetzung beschädigter Einlaufbeläge dar. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, dass der in die beschädigte Stelle einzufügende Werkstoff der Werkstoffzusammensetzung des Einlaufbelags entspricht oder mit dieser vergleichbar ist oder dessen Werkstoffeigenschaften mit den Werkstoffeigenschaften des Einlaufbelags zumindest vergleichbar sind. Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Werkstoff kann dabei als Schlicker, Paste oder Tape ausgebildet sein. Üblicherweise besteht der Werkstoff aus einem mit einem Bindemittel versehenen metallischen Pulver, wobei das metallische Pulver auf einer Ni-, Co- und/oder Fe-Basis hergestellt ist. Andere metallische Zusammensetzungen sind ebenfalls denkbar. Als Bindemittel kann für den Werkstoff Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Celluloseester und/oder Acryl-Dispersionen ausgewählt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass der Werkstoff keramische Bestandteile, wie zum Beispiel Graphit, hexagonales Bornitrid und/oder Bentonit enthält. Der Auftrag der Diffusionsspenderschicht gemäß Verfahrensschritt c) kann auch auf die an die beschädigte Stelle angrenzenden Bereiche des Einlaufbelags erfolgen. Dadurch wird eine innige Verbindung zwischen dem Reparatur-Werkstoff und dem Einlaufbelag erzielt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Verfahrensschritt a) die beschädigte Stelle bearbeitet, derart, dass eine Reparaturstelle mit definierter Form und Größe entsteht. Durch die Ausbildung einer definierten Reparaturstelle ist es möglich, die Menge an benötigtem Reparatur-Werkstoff exakt zu berechnen. Zudem ergeben sich in vorteilhafter Weise definierte Übergänge zwischen der Reparaturstelle und den nicht beschädigten Bereichen des Einlaufbelags.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt b) eine erste Aushärtung des Werkstoffs bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 450°C. Die auf die Reparaturstelle bzw. den in die Reparaturstelle eingefüllten Werkstoff aufgetragene Diffusionsspenderschicht ist üblicherweise folien- oder lackartig oder als Schlicker oder Paste ausgebildet. Die Diffusionsspenderschicht weist dabei erfindungsgemäß als Donator metallisches Pulver auf, insbesondere Al- und/oder Cr-haltiges Pulver. Auch andere metallische Pulverzusammensetzungen sind denkbar. Üblicherweise weist das metallische Pulver eine Korngrößenverteilung von 1 bis 120 &mgr;m auf. Neben den genannten Donatoren enthält die Diffusionsspenderschicht auch mindestens einen Aktivator gewählt aus der Gruppe: NH4F, NH4CL, AlF3, MgF2, CrCl2, CrCl3, LiF, Phosphor- und Chromsäuresalze. Zudem weist die Diffusionsspenderschicht mindestens ein Bindemittel auf, welches aus der Gruppe Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Celluloseester und Acryl-Dispersionen gewählt wird. Als Lösungsmittel enthält die Diffusionsspenderschicht üblicherweise Wasser, Alkohol und/oder Ether.

Erfindungsgemäß erfolgt durch die im Verfahrensschritt d) durchgeführte Wärmebehandlung eine zweite Aushärtung des Temperatur-Werkstoffs. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei bei Temperaturen zwischen 500°C und 1250°C. Weist die Diffusionsspenderschicht Al-haltiges Pulver auf, erfolgt vorteilhafterweise eine Alitierung des Reparatur-Werkstoffs mit den bekannten Vorteilen hinsichtlich Härte, Temperatur-, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach dem Verfahrensschritt d) eine Nachbearbeitung und ein Ausgleich der reparierten Stelle des Einlaufbelags. Damit ist gewährleistet, dass sich an der reparierten Stelle durch einen möglichen Überhang an Reparatur-Werkstoff oder durch Reste der Diffusionsspenderschicht Oberflächenunebenheiten gegenüber der Oberfläche des umgebenden, nicht beschädigten Einlaufbelags ergeben. Für die genannte Nachbearbeitung können übliche Verfahren, wie zum Beispiel Drehen, Schmirgeln, jedoch kein Schleifen, eingesetzt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels.

Die Figur zeigt dabei schematisch den Verfahrensablauf auf, der zu einer Reparatur einer beschädigten Stelle 10 eines Einlaufbelags 12 führt. Die Ausgangsituation ist dabei unter (I) dargestellt. Man erkennt, dass der Einlaufbelag 12 auf einem Grundwerkstoff 14 aufgetragen ist, wobei es sich bei dem Grundwerkstoff 14 um ein Verdichter- oder Turbinengehäuse handelt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die in (I) entstandene unregelmäßige Beschädigung des Einlaufbelags 12 bearbeitet, derart, dass eine Reparaturstelle 16 mit definierter Form und Größe entsteht (siehe (II)). Anschließend wird – wie unter (III) dargestellt – die beschädigte Stelle 10 bzw. die definierte Reparaturstelle 16 des Einlaufbelags 12 mit einem Werkstoff 18 aufgefüllt. Die Werkstoffzusammensetzung des Werkstoffs 18 entspricht derjenigen des Einlaufbelags 12 oder ist mit dieser zumindest vergleichbar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Werkstoff 18 ein Schlicker, bestehend aus einem Bindemittel und einem metallischen Pulver, mittels einem Pinsel oder einer Spritzpistole aufgetragen. Durch eine entsprechende Trocknung des eingefüllten Werkstoffs 18 entsteht ein Grünling, wobei sich die Trocknungstemperaturen und Trocknungszeiten nach der jeweiligen Werkstoffzusammensetzung richten.

Anschließend (siehe (IV)) wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Diffusionsspenderschicht 20 über dem Bereich der beschädigten Stelle 10 bzw. der definierten Reparaturstelle 16 und auf den eingefüllten Werkstoff 18 aufgetragen. Die aufgetragene Diffusionsspenderschicht 20 ist geeignet zur lokalen Diffusionsbeschichtung des Werkstoffs 18 wie auch der die Reparaturstelle 10, 16 umgebenden, nicht beschädigten Bereiche des Einlaufbelags 12. So enthält die Diffusionsspenderschicht 20 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Donator Al-haltiges Pulver. Durch die unter (V) durchgeführte Wärmebehandlung erfolgt eine lokale Eindiffusion mindestens eines metallischen Elements aus der Diffusionsspenderschicht 20 in den Werkstoff 18 und die mit der Diffusionsspenderschicht 20 bedeckten, an die Reparaturstelle 10, 16 angrenzenden Bereiche des Einlaufbelags 12. Es erfolgt eine Zementierung des Grünlings bzw. eine Alitierung des Werkstoffs 18 sowie der angrenzenden Bereiche des Einlaufbelags 12 durch die Verwendung des genannten Al-haltigen Pulvers. Durch die Eindiffusion der metallischen Elemente wird erreicht, dass einerseits eine innige Verbindung zwischen dem Werkstoff 18 und dem Einlaufbelag 12 entsteht. Andererseits werden dadurch bei dem Werkstoff 18 die notwendigen Härteeigenschaften bzw. die notwendigen Temperatur-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeiten erzielt.

Nach Abschluss der Wärmebehandlung des Einlaufbelags 12 im Bereich der beschädigten Stelle 10, 16 erfolgt – wie unter (VI) dargestellt – eine Nachbearbeitung der Reparaturstelle derart, dass mögliche Unebenheiten des Werkstoffs 18 gegenüber der Oberfläche 22 des Einlaufbelags 12 aus- bzw. angeglichen werden. Zudem können verbliebene Reste der Diffusionsspenderschicht 20 entfernt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Reparatur von Einlaufbelägen (12), insbesondere von Einlaufbelägen zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Auffüllen einer beschädigten Stelle (10) des Einlaufbelags (12) mit einem Werkstoff (18), dessen Werkstoffzusammensetzung derjenigen des Einlaufbelags (12) entspricht oder mit dieser vergleichbar ist oder dessen Werkstoffeigenschaften mit den Werkstoffeigenschaften des Einlaufbelags (12) vergleichbar sind;

b) Trocknen des in die beschädigte Stelle (10) eingefüllten Werkstoffs (18);

c) Auftrag einer Diffusionsspenderschicht (20) über den Bereich der beschädigten Stelle (10) und auf den eingefüllten Werkstoff (18); und

d) Wärmebehandlung des Einlaufbelags (12) zumindest im Bereich der beschädigten Stelle (10) zur lokalen Eindiffusion von mindestens einem metallischen Element aus der Diffusionsspenderschicht (20) in den eingefüllten Werkstoff (18).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt a) die beschädigte Stelle (10) bearbeitet wird, derart, dass eine Reparaturstelle (16) mit definierter Form und Größe entsteht. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (18) als Schlicker, Paste oder Tape ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (18) aus einem mit einem Bindemittel versehenen metallischen Pulver besteht. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver auf einer Ni-, Co- und/oder Fe-Basis hergestellt ist. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel des Werkstoffs (18) aus der Gruppe Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Celluloseester, Acryl-Dispersionen ausgewählt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (18) keramische Bestandteile enthält. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Bestandteile aus der Gruppe Graphit, hexagonales Bornitrid, Bentonit ausgewählt sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) eine erste Aushärtung des Werkstoffs (18) bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 450°C erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsspenderschicht (20) folien- oder lackartig oder als Schlicker oder Paste ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsspenderschicht (20) als Donator metallisches Pulver aufweist. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver Al- und/oder Cr-haltiges Pulver ist. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Pulver eine Korngrößenverteilung von 1 bis 120 &mgr;m aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag der Diffusionsspenderschicht (20) gemäß Verfahrensschritt c) auf den Bereich der beschädigten Stelle (10, 16) und auf den eingefüllten Werkstoff (18) sowie die an beschädigten Stelle (10, 16) angrenzenden Bereiche des Einlaufbelags (12) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt d) eine zweite Aushärtung des Werkstoffs (18) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt d) bei Temperaturen von 500°C bis 1250°C erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt d) eine Inchromierung oder Alitierung des Werkstoffs (18) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt d) eine Nachbearbeitung und ein Ausgleich der reparierten Stelle des Einlaufbelags (12) erfolgt.






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