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WO2016139089A1 - Verfahren zur wiederaufbereitung eines bauteils mittels lokaler thermomechanischer behandlung - Google Patents

Verfahren zur wiederaufbereitung eines bauteils mittels lokaler thermomechanischer behandlung Download PDF

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Publication number
WO2016139089A1
WO2016139089A1 PCT/EP2016/053814 EP2016053814W WO2016139089A1 WO 2016139089 A1 WO2016139089 A1 WO 2016139089A1 EP 2016053814 W EP2016053814 W EP 2016053814W WO 2016139089 A1 WO2016139089 A1 WO 2016139089A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
microstructure
expansion
local
coarsened
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/053814
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Burbaum
Michael Ott
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2016139089A1 publication Critical patent/WO2016139089A1/de

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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/605—Crystalline

Definitions

  • the present invention relates to a method for reprocessing (also called “Refurbishment”) made available by ready for operation ⁇ dingt locally damaged components by means of the local thermomechanical treatment.
  • the damaged components may in particular be made of single-crystal turbine blades superalloys.
  • raffolding It becomes more complex and depends on the direction and type of stress, which is also referred to as "raffolding .” These microstructural changes can be disadvantageous, in particular for the creep behavior of the component .
  • insulating coatings are used for this purpose, but in operation these coatings may be damaged or, for other reasons, they may locally exceed the temperatures required for rafting lead local rafting.
  • a method for recycling a locally locally damaged component with an originally cubic ⁇ / ⁇ 'microstructure, wherein the operational local damage consists in a coarsening of the ⁇ / ⁇ ' microstructure directed along an expansion direction is provided.
  • the Expansion direction of the directionally coarsened ⁇ / ⁇ 'microstructure by local heating and introducing a tensile and compressive stress, in particular in the region of a local damage of the component, rotated in their orientation.
  • the method according to the invention makes it possible to rotate the coarsened microstructures (so-called rafting or rafts) in components with an originally cubic ⁇ / ⁇ 'microstructure in the course of a reprocessing in a desired direction of expansion.
  • the orientation of the rafts loading relative to the direction of the dominant local operating voltage influences the strength properties of a component, particularly at high temperatures, so that with the help of the OF INVENTION ⁇ to the invention process, the strength properties of the local damage can be selectively adjusted in the loading rich during a regeneration ,
  • tensile stresses can be applied to the component in a pressure and / or transverse direction to the desired direction of expansion of the coarsened ⁇ / ⁇ ' microstructure. AfterACTi ⁇ gen state of research, this leads to the desired orientation of the rafts.
  • the expansion direction of the rafts which is sought in the course of the recycling process can, in particular, run at right angles to the direction of expansion of the ⁇ / ⁇ 'microstructure, which has been coarsened due to local damage.
  • the expansion direction of the directionally coarsened ⁇ / ⁇ 'microstructure from the operation is primarily dependent on whether tensile or compressive stresses predominate during operation. Compressive stresses, according to the current state of research, cause rafts parallel to the main stress direction, tensile stresses perpendicular to the principal stress direction. Depending on the mechanical and thermal load during operation and the alloy used, rafts may be advantageous in parallel or at right angles to the principal stress direction. With the method according to the invention can the appropriate extension direction of the rafts can be set for the application.
  • the tensile or compressive stress applied for aligning the rafts can be adjusted specifically to a specific value in the method according to the invention. This can be controlled by means of a suitable measuring device, for example by means of strain gauges. This makes it possible to ensure that sufficiently high voltages are present at the damaged area for carrying out the method without burdening the component as a whole more than necessary.
  • the direction of expansion of the coarsened ⁇ / ⁇ 'microstructure can be determined. This can be done with a metallurgical investigation. From this, conclusions can be drawn about the local stresses and temperatures during operation. This supports the choice of the desired expansion direction of the
  • the entire component during local heating in the area of damage and the simultaneous application of tensile or compressive stresses can be heated to at least 500 ° C.
  • the local heating in the region of the damage then takes place at a temperature which is at least 150 ° C., preferably 200 ° C., in particular even 250 ° C. above the temperature to which the entire component is heated.
  • the entire component during local heating in the region of damage and the simultaneous application of tensile or compressive stresses to a temperature in the range of 650 ° C to 750 ° C, in particular 700 ° C is heated.
  • the area of damage is then heated to a temperature between 900 ° C and 1000 ° C, in particular 950 ° C.
  • the local heating of the damaged areas by means of a laser ⁇ SUC gene in the context of the inventive method.
  • the heat input can be defined locally accurately. Since the energy can also be introduced by a laser in a very short time, heat loss through heat conduction in the component is minimized and the total energy input is low compared to other methods.
  • the treated component by a protective gas atmosphere can be or are located in a vacuum to avoid oxidation give ⁇ .
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine in FIG.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a
  • FIG. 3 shows a combustion chamber of a gas turbine.
  • FIG. 4 shows a method according to the invention
  • FIGS. 5 and 6 show the change of the ⁇ / ⁇ '-microstructure as a function of the applied voltage.
  • FIG. 7 shows the sequence of the invention
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation ⁇ axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the 105 ⁇ be compressed air provided at the turbine end of the compressor is overall to the burners 107 leads and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used. Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member of the group
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earths or Hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the guide vane 130 has an inner housing 138 of the turbine 108 facing guide vane root (not Darge here provides ⁇ ) and a side opposite the guide-blade root vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121 following one another, a fastening region 400, a blade platform 403 adjoining thereto, and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 may be pointed on its shovel 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ .
  • Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the blade 406.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines which are exposed during operation ho ⁇ hen mechanical, thermal and / or chemical stresses.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), Ni ⁇ ckel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), Ni ⁇ ckel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulating layer can comprise porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • the blade 120, 130 may have to be freed from protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. Thereafter, a ⁇ As the coating of the component 120, 130, after which the component 120, the 130th The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 3 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as so-called an annular combustion chamber, in which a plurality of in the circumferential direction about an axis of rotation 102 arranged burners 107 open into a common combustion chamber space 154 and generate flames 156th
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • a relatively long service life surfaces to enable the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • Each heat shield element 155 is made of an alloy
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or Si ⁇ lizium and / or at least one element of rare earth, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or Si ⁇ lizium and / or at least one element of rare earth, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic Wär ⁇ medämm harsh be present and consists for example of ZrÜ2, Y203-ZrÜ2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • Reprocessing means that heat shield elements may need to be removed 155 after use of protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. After ⁇ re-coating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155. Due to the high temperatures inside the combustion chamber
  • the 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • FIG. 4 shows the reprocessing of a turbine blade with auxiliary means used by way of example.
  • Figures 5 and 6 show the change of the ⁇ / ⁇ 'microstructure in the material of a component of relevant material depending on introduced Tensions.
  • FIG. 7 shows a flow chart of the process according to the invention.
  • Figure 4 shows an application of the process according to the invention to a turbine blade, the application is possible to other components made of alloys having a ⁇ / ⁇ '-Mikro ⁇ structure.
  • FIGS. 5 and 6 show, by way of example, the orientation of ⁇ / ⁇ 'microstructures 600 in superalloys as a function of stresses 601 and 602 introduced into the material.
  • Such superalloys initially exhibit homogeneous cubic ⁇ / ⁇ ' microstructures when appropriately fabricated. From science is known that under simultaneous influence of mechanical tensile stresses 601 or compressive stresses 602 and heat the ⁇ / ⁇ 'microstructure may coarsen into a defined Ausdeh ⁇ voltage device (rafts) when temperature and / or voltage limits are exceeded. The numerical values of these limits depend on the alloy material and influence each other.
  • the rafts form parallel to the main stress direction when a compressive stress 602 is present and at right angles to the main stress direction when a tensile stress 601 is present.
  • Rafts create a spatially inhomogeneous behavior of the material.
  • the orientation of the ridges relative to the principal stress direction determines the strength and sometimes even the stiffness properties of the material and thus of the corresponding component. These influences are especially pronounced at high temperatures. Whether rafts are advantageous at right angles to the main stress direction or parallel to the main stress direction is different for the respective application, depending on the superalloy used and load case, and must be assessed for the individual case.
  • Rafts During the operation of components, depending on the thermal and mechanical stress, it may be local to the formation of Rafts come.
  • the orientation depends on the local loads from operating loads. Depending on the orientation, the rafts can have negative effects on the load capacity of the component. The component is damaged in operation due to unfavorable alignment of operational rafts.
  • FIG. 4 shows an exemplary application of the method.
  • a damaged by operational conditional rafting turbines ⁇ blade 120 provides the component by way of example used for application of the method is such a turbine ⁇ shovel 120 comprises as described above, a blade root 183, trailing edge 412, leading edge 406 and blade 406 can In operation, in particular the parts leading edge. 406 and blade 406 are damaged. Such damage results, for example, from damage to a heat-insulating layer applied to the turbine blade 120. This can inter alia by penetrated into the gas turbine
  • the turbine blade is 120 angeord ⁇ net in a process chamber 506th
  • the process chamber 506 serves to be able to carry out the process under a protective atmosphere.
  • the protective atmosphere can consist of a protective gas or can be realized by a technical vacuum.
  • the protective atmosphere serves to protect the component to which the method according to the invention is to be applied from oxidation. By suitably selecting the protective atmosphere, it is also possible to avoid or promote scattering of the laser light or to selectively influence reactions in the process zone 500.
  • the process chamber 506 also comprises a heating device for the treated component, in the ⁇ sem example a turbine blade 120.
  • the Schuellrich ⁇ processing is used to heat the component to be treated integrated ⁇ Lich to a base temperature which may for example be 700 ° C .
  • This base temperature is to choose bactersge ⁇ Gurss so that it has no undesirable effects on the properties of the treated component. For example, properties produced by targeted strain hardening should not be compromised. Accordingly, the choice of base temperature depends inter alia on the material of the turbine blade 120. On the other hand, the base ⁇ temperature should be chosen as high as without unwanted side effects possible in order to keep thermal stresses in the transition to processing zone 500 and the requirements for the laser 501 possible liehst low.
  • the process zone 500 describes the batch of the turbine blade 120 that corresponds to the operational localized damage zone and in which the method of the present invention is applied To realign the rafts.
  • the process zone 500 is heated by a laser 501 to a process temperature that allows realignment of the rafts.
  • ⁇ instead of a laser 501 other heat sources can be settik- that enable localized, well-controlled heat input.
  • the process temperature is 120 depen ⁇ gig on the used material of the turbine blade and can be for example 950 ° C.
  • Realigning the rafts are generated as part of the application of the inventive method in addition to a process tempera ture ⁇ at the same time also mechanical stresses in sufficient level in the process zone 500th This can be achieved by clamping the turbine blade 120 505 and applying tensile and / or compressive forces 503 as well as bending and / or torsional moments 504.
  • the state of stress in the process zone 500 can be monitored.
  • the sensor 502 may be the case ⁇ play a strain gauge (DMS).
  • DMS strain gauge
  • the sensor 502 is moved according to ensure that 500 mechanical stresses sufficient amount present in the process ⁇ area for the realignment of rafts and in the required direction to achieve the desired Raftausdehnungsraum.
  • the load on the turbine blade 120 can be minimized by monitoring the voltage levels ⁇ by the sensor 502, since only the necessary forces and moments 503 504 to ensure a sufficiently high voltage level in the process zone to be initiated.
  • the ⁇ / ⁇ 'microstructure of a locally damaged component due to operational conditions can be aligned in such a way that the mechanical load capacity can be advantageously improved compared to a defined load compared to the initial state.
  • the method according to the invention brings by operation damaged blades again in operational condition and thus lowers the operating costs of gas turbines advantageous.
  • FIG. 7 shows the possible sequence of an application of the method according to the invention during the refurbishment of a component, for example a gas turbine blade.
  • a raft analysis First, the existing orientation of the rafts is determined (A), for example by metallurgical investigation. Said Koen ⁇ nen damaged, among other areas are determined. At ⁇ support points for possible damaged areas can be ⁇ game also obtained from damage to a thermal insulation lations Mrs.
  • step C it is to be determined which extension directions of the rafts are advantageous for the local stress during operation. From this, the mechanical stresses to be introduced into the process zone 500 are derived.
  • a sensor 502 for monitoring the state of stress is attached near the process zone 500 on the component to be treated. These include access to the process zone 500 and to observe the temperature resistance of the sensor.
  • the component is mounted on a holder in the process chamber 506, connected to means for imposing forces and moments (503, 504, 505) and heated to the base temperature of, for example, 700 ° C.
  • process step F forces and moments (503, 504, 505) are impressed onto the component in such a way that the desired stress state is established in the process zone, which is necessary for reorienting the rafts.
  • This can be controlled by means of the sensor 502.
  • This process step can be carried out parallel to the local heat input G, so that any changes of the tension can ⁇ voltage state are compensated from the heat input. It is ensured according to the method that during the local heat input G sufficient stresses in the process zone 500 are present.
  • the processing zone 500 is heated, for example by means of a La ⁇ sers 501 to a process temperature of for example 950 ° C.
  • the rafts set in an advantageously chosen direction and improve so the mechanical properties of the treated component.
  • the inventive method is particularly suitable for the reprocessing of locally damaged components originally cubic ⁇ / ⁇ 'microstructures.
  • Such components may, in particular, be turbine blades which are impaired by local directed coarsening of the ⁇ / ⁇ 'microstructure in terms of their capacity to withstand operating stresses.
  • the inventive method the off ⁇ stretching direction of the ⁇ / ⁇ 'microstructure can be rotated in an advantageous direction.
  • the process zone 500 is locally heated, while at the same time tensile and / or compressive stresses are introduced in such a way that advantageously aligned coarsening of the microstructure is formed.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Wideraufbereiten eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils (120) mit einer ursprünglich kubischen γ/γ' -Mikrostruktur, wobei die betriebsbedingte lokale Schädigung in einer entlang einer Ausdehnungsrichtung gerichteten Vergröberung der γ/γ' -Mikrostruktur besteht, zur Verfügung gestellt. In dem Verfahren wird die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur durch lokales Erwärmen und Einbringen einer Zug- und oder Druckspannung (503, 505), insbesondere im Bereich einer lokalen Schädigung des Bauteils, in ihrer Orientierung gedreht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Wiederaufbereitung eines Bauteils mittels lokaler thermomechanischer Behandlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederaufbereitung (auch „Refurbishment" genannt) von betriebsbe¬ dingt lokal geschädigten Bauteilen mittels lokaler thermomechanischer Behandlung. Die geschädigten Bauteile können hierbei insbesondere Turbinenschaufeln aus einkristallinen Superlegierungen sein.
In den heutigen stationären Gasturbinen zur Energieerzeugung werden immer höhere Wirkungsgrade angestrebt, was in immer höheren Heißgastemperaturen resultiert und damit die Bauteile im Heißgasbereich der Gasturbine thermisch höher beansprucht. Besonders für Gasturbinenschaufeln trifft dies zu. Entspre¬ chende Bauteile, die diese Beanspruchungen ertragen, müssen in der Regel aus einkristallinen Superlegierungen hergestellt und mit einer isolierenden Beschichtung, meist aus Keramik mit einer darunter befindlichen Haftvermittlerschicht, verse¬ hen werden. Damit handelt es sich um in der Herstellung sehr aufwendige und teure Komponenten. Trotzdem sind diese Bau¬ teile meist nur zeitfest und müssen im Rahmen von Wartungen geprüft und bei entsprechender Schädigung ausgetauscht werden. Eine Schädigung kann zum Beispiel aus lokalen
Gefügeveränderungen durch thermische Überlastung bestehen.
Aus wirtschaftlichen Gründen wird versucht, die Herstellungs- und Betriebskosten von Gasturbinen minimal zu halten. Wenn es gelingt, die Lebensdauer von teuren Gasturbinenkomponenten, besonders solchen Bauteile die aus einkristallinen Su¬ perlegierungen hergestellt wurden, zu verlängern, bedeutet dies einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil. Solch eine Lebensdauerverlängerung kann zum Beispiel durch ein geeignetes Reparaturverfahren für lokale Gefügeveränderungen gelingen . Lebensdauerbegrenzend für Gasturbinenbauteile aus einkristallinen Superlegierungen sind vor allem Veränderungen der Mikrostruktur. Solche Bauteile weisen bei entsprechender Fertigung eine kubische γ/γ' -Mikrostruktur aus den Korngren- zen der Legierungsbestandteile auf. Die Mikrostrukturen sind sehr kleinteilig und homogen verteilt. Unter dem gleichzeiti¬ gen Einfluss von Wärme oberhalb eines bestimmten Temperaturniveaus und mechanischen Spannungen verändert sich diese Mikrostruktur. Sie wird großteiliger und richtet sich abhängig von der Spannungsrichtung und -art aus, was auch als „Raf¬ ting" bezeichnet wird. Diese Gefügeveränderungen können nachteilig sein, insbesondere für das Kriechverhalten des Bau¬ teils. Im Rahmen der konstruktiven Auslegung wird normalerweise versucht, die Bauteile im Betrieb unterhalb der für Rafting erforderlichen Temperatur zu halten. Unter anderem werden zu diesem Zweck isolierende Beschichtungen verwendet. Im Betrieb können diese Beschichtungen jedoch beschädigt werden oder es kann aus anderen Gründen zu lokalem Überschreiten der für Rafting erforderlichen Temperaturen komme. Dies kann zu lokalem Rafting führen.
Bisher ist den Erfindern der vorliegenden Patentanmeldung kein Reparaturverfahren für durch lokales Rafting geschädigte Bauteile bekannt.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Wiederaufbereitung von lokal durch Rafting geschädigten Bauteilen aus einkristallinen Superlegierungen ermöglicht. Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 gelöst, die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus¬ gestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Wideraufbereiten eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils mit einer ur- sprünglich kubischen γ/γ' -Mikrostruktur, wobei die betriebsbedingte lokale Schädigung in einer entlang einer Ausdehnungsrichtung gerichteten Vergröberung der γ/γ' -Mikrostruktur besteht, zur Verfügung gestellt. In diesem Verfahren wird die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur durch lokales Erwärmen und Einbringen einer Zug- und oder Druckspannung, insbesondere im Bereich einer lokalen Schädigung des Bauteils, in ihrer Orientierung gedreht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in Bauteilen mit einer ursprünglich kubischen γ/γ' -Mikrostruktur die vergröberten Mikrostrukturen (sog. Rafting oder Rafts) im Rahmen einer Wiederaufbereitung in eine angestrebten Ausdeh- nungsrichtung zu drehen. Die Ausrichtung der Rafts relativ zur Richtung der dominierenden lokalen Betriebsspannung be- einflusst die Festigkeitseigenschaften eines Bauteils, besonders bei hohen Temperaturen, so dass mit Hilfe des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens die Festigkeitseigenschaften im Be- reich der lokalen Schädigung im Rahmen einer Wiederaufbereitung gezielt eingestellt werden können.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens können insbesondere in der angestrebten Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ' - Mikrostruktur eine Druck- und/oder quer zur angestrebten Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur Zugspannungen auf das Bauteil aufgebracht werden. Nach dem derzeiti¬ gen Stand der Forschung führt dies zur gewünschten Ausrichtung der Rafts.
Die Im Rahmen des Wiederaufbereitungsverfahrens angestrebte Ausdehnungsrichtung der Rafts kann insbesondere rechtwinklig zur Ausdehnungsrichtung der aufgrund einer lokalen Schädigung gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur verlaufen. Die Aus- dehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur aus dem Betrieb ist vor allem davon abhängig ob im Betrieb Zug- oder Druckspannungen vorherrschen. Druckspannungen verursachen nach aktuellem Stand der Forschung Rafts parallel zur Hauptspannungsrichtung, Zugspannungen rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung. Je nach mechanischer und thermischer Belastung im Betrieb und der verwendeten Legierung können Rafts parallel oder rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung vorteilhaft sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die für den Anwendungsfall geeignete Ausdehnungsrichtung der Rafts eingestellt werden.
Die zur Ausrichtung der Rafts angelegte Zug- oder Druckspan- nung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Die kann mit Hilfe einer geeigneten Messeinrichtung, zum Beispiel mittels Deh- nungsmesstreifen kontrolliert werden. So kann sichergestellt werden, dass an der Schadstelle ausreichend hohe Spannungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen, ohne das Bauteil als Ganzes mehr als notwendig zu belasten.
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur ermittelt werden. Dies kann mit einer metallurgischen Untersuchung erfolgen. Daraus können Rückschlüsse auf die lokalen Spannungen und Temperaturen im Betrieb geschlossen werden. Dies unterstützt die Wahl der gewünschten Ausdehnungsrichtung der
Rafts .
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das gesamte Bauteil während der lokalen Erwärmung im Bereich der Schädigung und des gleichzeitigen Anlegens von Zug- oder Druckspannungen auf mindestens 500°C geheizt werden. Die lokale Erwär- mung im Bereich der Schädigung erfolgt dann auf eine Temperatur, die mindestens 150 °C, vorzugsweise 200 °C insbesondere sogar 250 °C über der Temperatur auf die das gesamte Bauteil erwärmt wird, liegt. Vorzugsweise wird das gesamte Bauteil während der lokalen Erwärmung im Bereich der Schädigung und des gleichzeitigen Anlegens von Zug- oder Druckspannungen auf eine Temperatur im Bereich von 650 °C bis 750 °C, insbesondere 700 °C geheizt. Der Bereich der Schädigung wird dann auf eine Temperatur zwischen 900 °C und 1000 °C, insbesondere 950 °C, erwärmt. So kann für das Gesamtbauteil eine übermäßige Erwärmung und damit ungewünschte Eigenschaftsbeeinflussung vermieden werden. Gleichzeitig liegen im geschädigten Bereich ausreichend hohe Temperaturen zur Durchführung des Verfahrens vor und der Temperaturgradient im Bauteil bewegt sich in zu¬ lässigen Bereichen.
Die lokale Erwärmung der geschädigten Bereiche kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Lasers erfol¬ gen. Dadurch kann die Wärmeeinbringung lokal genau definiert werden. Da durch einen Laser die Energie auch in einer sehr kurzen Zeit eingebracht werden kann, ist ein Wärmeverlust durch Wärmeleitung im Bauteil minimiert und die Gesamt- energieeinbringung verglichen mit anderen Methoden niedrig.
Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das behandelte Bauteil von einer Schutzgasatmosphäre um¬ geben sein oder sich in einem Vakuum befinden, um Oxidation zu vermeiden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine in
einem Längsteilschnitt.
Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine
Laufschaufel oder Leitschaufel einer
Strömungsmaschine .
Figur 3 zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren
angewendet an einer Turbinenlaufschaufel.
Figuren 5 und 6 zeigen die Veränderung der γ/γ'- Mikrostruktur abhängig von der eingebrachten Spannung. Figur 7 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens .
Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotation¬ sachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Tur- bine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe
Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI . Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge¬ stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufei- nander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb ho¬ hen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachge- brauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Ni¬ ckel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht . Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile
120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie¬ derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130. Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Die Figur 3 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist. Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermögli- chen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist
arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen
Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschich- tung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Si¬ lizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär¬ medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y203-ZrÜ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze¬ schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Da¬ nach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird nachfolgend bezogen auf die Figuren 4, 5, 6 und 7, beispielhaft angewendet auf eine Turbinenlaufschaufel, beschrieben. Figur 4 zeigt das Wieder- aufbereiten einer Turbinenlaufschaufel mit beispielhaft zur Anwendung kommenden Hilfsmitteln. Die Figuren 5 und 6 zeigen die Veränderung der γ/γ' -Mikrostruktur im Material eines Bauteils aus relevantem Material abhängig von eingebrachten Spannungen. Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Prozesses.
Obwohl Figur 4 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Prozesses an einer Turbinenlaufschaufel zeigt, ist die Anwendung auch auf andere Bauteile aus Legierungen mit einer γ/γ' -Mikro¬ struktur möglich.
Die Figuren 5 und 6 zeigen beispielhaft die Ausrichtung von γ/γ' -Mikrostrukturen 600 in Superlegierungen abhängig von in das Material eingebrachten Spannungen 601 und 602. Solche Superlegierungen weisen bei entsprechender Fertigung zunächst homogene kubische γ/γ' -Mikrostrukturen auf. Aus der Wissenschaft ist bekannt, dass sich unter gleichzeitigem Einfluss von mechanischen Zugspannungen 601 oder Druckspannungen 602 und Wärme die γ/γ' -Mikrostruktur in eine definierte Ausdeh¬ nungsrichtung vergröbern kann (Rafts) , wenn Temperatur- und/oder Spannungsgrenzen überschritten werden. Die Zahlenwerte dieser Grenzen sind abhängig vom Legierungsmaterial und beeinflussen sich gegenseitig.
Nach aktuellem Stand der Wissenschaft bilden sich die Rafts parallel zur Hauptspannungsrichtung wenn eine Druckspannung 602 vorliegt und rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung wenn eine Zugspannung 601 vorliegt. Rafts erzeugen ein räumlich inhomogenes Verhalten des Materials. Die Ausrichtung der Rafts relativ zur Hauptspannungsrichtung bestimmt die Festig- keits- und teilweise sogar die Steifigkeitseigenschaften des Materials und damit des entsprechenden Bauteils. Diese Ein- flüsse sind besonders ausgeprägt bei hohen Temperaturen. Ob Rafts rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung oder parallel zur Hauptspannungsrichtung vorteilhaft sind, ist für die jeweilige Anwendung, abhängig von verwendeter Superlegierung und Lastfall, verschieden und muss für den Einzelfall beur- teilt werden.
Während des Betriebs von Bauteilen kann es je nach thermischer und mechanischer Beanspruchung lokal zur Bildung von Rafts kommen. Die Ausrichtung ist dabei von den lokalen Beanspruchungen aus Betriebslasten abhängig. Je nach Ausrichtung können die Rafts negative Auswirkungen auf die Belastbarkeit des Bauteils haben. Das Bauteil ist bei einer unvorteilhaften Ausrichtung von im Betrieb entstandenen Rafts betriebsbedingt geschädigt .
Wenn das Bauteil durch die betriebsbedingte Schädigung nicht mehr die für den Betrieb erforderliche Belastbarkeit besitzt, kann es nach dem aktuellem Stand der Technik nicht mehr verwendet oder instandgesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Neu¬ ausrichtung der Ausdehnungsrichtung der Rafts kann das Bauteil im Hinblick auf die Betriebsbeanspruchung wieder belastbarer und damit wieder verwendungsfähig machen. Eine globale Behandlung des ganzen Bauteils ist in vielen Fällen nicht möglich bzw. nicht erwünscht. Für das Beispiel der Turbinen¬ laufschaufel 120 würde eine Erwärmung des gesamten Bauteils über die für die Neuausrichtung der Rafts erforderliche Temperatur die durch Kaltverfestigung erzeugten Eigenschaften des Schaufelfußes 183 unzulässig beeinträchtigen. Mit dem er¬ findungsgemäßen Verfahren ist es möglich die Ausdehnungsrichtung der Rafts lokal zu verändern ohne das restliche Bauteil unzulässig zu beeinflussen. Figur 4 zeigt eine beispielhafte Anwendung des Verfahrens. Eine durch betriebsbedingtes Rafting beschädigte Turbinen¬ laufschaufel 120 stellt das beispielhaft verwendete Bauteil zur Anwendung des Verfahrens dar. Eine solche Turbinenlauf¬ schaufel 120 umfasst wie oben beschrieben einen Schaufelfuß 183, Abströmkante 412, Anströmkante 406 sowie Schaufelblatt 406. Im Betrieb können insbesondere die Partien Anströmkante 406 sowie Schaufelblatt 406 geschädigt werden. Solche Schäden resultieren beispielsweise aus Beschädigungen einer auf der Turbinenlaufschaufel 120 aufgebrachten Wärmedämmschicht. Dies kann unter anderem durch in die Gasturbine eingedrungene
Fremdkörper oder durch Ermüdung und Rissbildung verursacht sein. In Bereichen mit beschädigter Wärmedämmschicht kann mehr Wärme aus dem Arbeitsmedium M der Gasturbine auf die Turbinenlaufschaufel 120 übertragen werden, was zu lokalen Temperaturerhöhungen führt. Wenn solche Temperaturerhöhungen materialabhängige Grenzen überschreiten und gleichzeitig me¬ chanische Spannungen aus dem Betrieb anliegen, kann es zu lo- kalen Gefügeveränderungen wie dem beschriebenen Rafting kommen. Solche Rafts können je nach ihrer Ausdehnungsrichtung abträglich für die Belastbarkeit des Bauteils sein.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Turbinenlaufschaufel 120 in einer Prozesskammer 506 angeord¬ net. Die Prozesskammer 506 dient unter anderem dazu, den Pro- zess unter einer Schutzatmosphäre durchführen zu können. Die Schutzatmosphäre kann aus einem Schutzgas bestehen oder auch durch ein technisches Vakuum realisiert werden. Die Schutzat- mosphäre dient unter anderem dazu, das Bauteil, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden soll, vor Oxidation zu schützen. Durch die geeignete Wahl der Schutzatmosphäre kann auch eine Streuung des Laserlichts vermieden oder gefördert oder gezielt Reaktionen in der Verfahrenszone 500 beeinflusst werden. Die Prozesskammer 506 umfasst auch eine Heizeinrichtung für das zu behandelnde Bauteil, in die¬ sem Beispiel eine Turbinenlaufschaufel 120. Die Heizeinrich¬ tung wird verwendet, um das zu behandelnde Bauteil ganzheit¬ lich auf eine Basistemperatur zu erhitzen, die beispielweise 700°C betragen kann. Diese Basistemperatur ist verfahrensge¬ mäß so zu wählen, dass sie keine ungewünschten Effekte auf die Eigenschaften des zu behandelnden Bauteils hat. Zum Beispiel sollten durch gezielte Kaltverfestigung erzeugte Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Die Wahl der Basistem- peratur hängt dementsprechend unter anderem vom Material der Turbinenlaufschaufel 120 ab. Andererseits sollte die Basis¬ temperatur so hoch wie ohne ungewünschte Nebeneffekte möglich gewählt werden, um Temperaturspannungen im Übergang zur Verfahrenszone 500 und die Anforderungen an den Laser 501 mög- liehst gering zu halten. Die Verfahrenszone 500 beschreibt die Partie der Turbinenlaufschaufel 120, die der Zone mit der betriebsbedingten lokalen Schädigung entspricht und in welcher das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, um eine Neuausrichtung der Rafts zu erzeugen. Die Verfahrenszone 500 wird mittels eines Lasers 501 auf eine Verfahrenstemperatur erhitzt, die eine Neuausrichtung der Rafts ermöglicht. An¬ statt eines Lasers 501 können auch andere Wärmequellen einge- setzt werden, die eine örtlich begrenzte, gut kontrollierbare Wärmeeinbringung ermöglichen. Die Verfahrenstemperatur ist vom verwendeten Material der Turbinenlaufschaufel 120 abhän¬ gig und kann beispielweise 950°C betragen. Zur Neuausrichtung der Rafts werden als Teil der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben einer Prozesstempera¬ tur zeitgleich auch mechanische Spannungen in ausreichender Höhe in der Verfahrenszone 500 erzeugt. Dies kann erreicht werden, in dem die Turbinenlaufschaufel 120 eingespannt 505 und mit Zug- und/oder Druckkräften 503 sowie mit Biege- und/oder Torsionsmomenten 504 beaufschlagt wird.
Durch einen oder mehrere geeignete Sensoren 502 in der Nähe der Verfahrenszone kann der Spannungszustand in der Verfah- renszone 500 überwacht werden. Der Sensor 502 kann zum Bei¬ spiel ein Dehnungsmessstreifen (DMS) sein. Durch den Sensor 502 wird verfahrensgemäß sichergestellt, dass im Verfahrens¬ bereich 500 mechanische Spannungen in ausreichender Höhe für die Neuausrichtung der Rafts und in der notwendigen Richtung zur Erzielung der gewünschten Raftausdehnungsrichtung vorliegen. Gleichzeitig kann mittels Überwachung des Spannungs¬ niveaus durch den Sensor 502 die Belastung der Turbinenschaufel 120 minimiert werden, da nur die notwendigen Kräfte 503 und Momente 504 zur Sicherstellung eines ausreichend hohen Spannungsniveaus in der Verfahrenszone eingeleitet werden.
Bei erfindungsgemäßer Durchführung des beanspruchten Verfahrens kann die γ/γ' -Mikrostruktur eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils so ausgerichtet werden, dass die mecha- nische Belastbarkeit gegenüber einer definierten Belastung im Vergleich zum Ausgangszustand vorteilhaft verbessert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt durch Betrieb ge- schädigte Laufschaufeln wieder in betriebstauglichen Zustand und senkt so vorteilhaft die Betriebskosten von Gasturbinen.
Figur 7 zeigt den möglichen Ablauf einer Anwendung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens im Rahmen des Refurbishments eines Bauteils, zum Beispiel einer Gasturbinenlaufschaufel.
A Raftanalyse Zunächst wird die vorhandene Ausrichtung der Rafts ermittelt (A) , beispielweise durch metallurgische Untersuchung. So kön¬ nen unter anderem geschädigte Bereiche ermittelt werden. An¬ haltspunkte für mögliche geschädigte Bereiche können bei¬ spielweise auch aus Beschädigungen an einer thermischen Iso- lationsschicht gewonnen werden.
B Spannungsanalyse Betrieb Aus dem Vorhandensein und der Lage der Rafts können Rückschlüsse über Spannungsverteilung und Temperaturverteilung im Bauteil während des Betriebs gezogen werden (B) .
C Festlegung Ziel-Raft-Ausdehnungsrichtung
In einem weiteren Schritt C ist festzulegen, welche Ausdehnungsrichtungen der Rafts vorteilhaft für die lokale Beanspruchung während des Betriebs sind. Daraus werden die in die Verfahrenszone 500 einzubringenden mechanischen Spannungen abgeleitet .
D Anbringung Spannungssensor
Im Verfahrensschritt D wird nahe der Verfahrenszone 500 am zu behandelnden Bauteil ein Sensor 502 zur Überwachung des Spannungszustands angebracht. Dabei sind unter anderem der Zugang zur Verfahrenszone 500 und die Temperaturbeständigkeit des Sensors zu beachten.
E Einbringung in Prozesskammer
Im Verfahrensschritt E wird das Bauteil auf einer Halterung in der Prozesskammer 506 angebracht, mit Einrichtungen zur Aufprägung von Kräften und Momenten verbunden (503, 504, 505) und auf die Basistemperatur von beispielweise 700°C erhitzt.
F Spannungseinbringung Im Verfahrensschritt F werden auf das Bauteil Kräfte und Mo¬ mente (503, 504, 505) derart aufgeprägt, dass sich in der Verfahrenszone der gewünschte Spannungszustand einstellt, welcher zur Neuausrichtung der Rafts notwendig ist. Mittels des Sensors 502 kann dies kontrolliert werden. Dieser Verfah- rensschritt kann parallel zur lokalen Wärmeeinbringung G durchgeführt werden, so dass eventuelle Änderungen des Span¬ nungszustands aus der Wärmeeinbringung kompensiert werden können. Es wird verfahrensgemäß sichergestellt, dass während der lokalen Wärmeeinbringung G ausreichende Spannungen in der Verfahrenszone 500 vorhanden sind.
G Lokale Wärmeeinbringung „Rerafting" Die Verfahrenszone 500 wird beispielsweise mittels eines La¬ sers 501 auf eine Prozesstemperatur von beispielweise 950°C erwärmt. Da gleichzeitig die im Prozessschritt F aufgeprägten Spannungen vorhanden sind, richten sich die Rafts in einer vorteilhaft gewählten Richtung aus und verbessern so die me- chanischen Eigenschaften des behandelten Bauteils.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Wiederaufbereitung von lokal vorgeschädigten Bauteilen mit ursprünglich kubischen γ/γ' -Mikrostrukturen . Solche Bauteile können insbesondere Turbinenschaufeln sein, die durch lokale gerichtete Vergröberung der γ/γ' -Mikrostruktur in ihrer Belastbarkeit gegenüber den Betriebsbeanspruchungen beeinträch- tigt sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Aus¬ dehnungsrichtung der γ/γ' -Mikrostruktur in eine vorteilhafte Richtung gedreht werden. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß die Verfahrenszone 500 lokal erhitzt, während gleichzeitig Zug- und/oder Druckspannungen derart eingebracht werden, dass sich vorteilhaft ausgerichtete Vergröberungen der Mikrostruktur ausbilden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum Wideraufbereiten eines betriebsbedingt lokal geschädig- ten Bauteils (120) mit einer ursprünglich kubischen γ/γ' -
Mikrostruktur,
wobei die betriebsbedingte lokale Schädigung in einer ent¬ lang einer Ausdehnungsrichtung gerichteten Vergröberung der γ/γ' -Mikrostruktur besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' - Mikrostruktur durch lokales Erwärmen und Einbringen einer Zug- und oder Druckspannung (503, 505) ,
insbesondere im Bereich einer lokalen Schädigung des Bau- teils, in ihrer Orientierung gedreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer angestrebten Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur eine Druck- und/oder quer zur angestrebten Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberte γ/γ' -Mikrostruktur eine Zugspannung angelegt wird .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausdehnungsrichtung der aufgrund der lokalen Schädigung gerichtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur in die angestrebte Ausdehnungsrichtung gedreht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die angestrebten Ausdehnungsrichtung rechtwinklig zur Ausdehnungsrichtung der aufgrund der lokalen Schädigung ge- richtet vergröberten γ/γ' -Mikrostruktur verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in das Bauteil (1020) eingebrachten Zug- und oder
Druckspannungen (503, 505) gezielt auf einen bestimmten Wert eingestellt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ' - Mikrostruktur zu Beginn des Verfahrens ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gesamte Bauteil (120) während des lokalen Erwärmens und des Einbringens von Zug- und/oder Druckspannungen (503, 505) im Bereich der lokalen Schädigung auf eine Temperatur von mindestens 500 °C geheizt wird und
das lokale Erwärmen im Bereich der lokalen Schädigung auf eine Temperatur erfolgt, die mindestens 150 °C über der Temperatur liegt, auf die das gesamte Bauteil (120) erwärmt wird .
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das gesamte Bauteil (120) auf eine Temperatur im Bereich von 650 °C bis 750 °C erwärmt wird und
das Bauteil im Bereich der lokalen Schädigung auf eine Temperatur im Bereich von 900 °C bis 1000 °C erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das lokale Erwärmen mittels eines Lasers (501) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
es im Vakuum oder unter Schutzgas durchgeführt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113008694A (zh) * 2021-02-01 2021-06-22 中国航发沈阳发动机研究所 基于错配度的镍基高温合金涡轮叶片服役损伤评价方法
CN115074819A (zh) * 2021-03-11 2022-09-20 隆基绿能科技股份有限公司 一种热场部件返修判断方法、处理方法、装置以及系统

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0251983A1 (de) * 1986-06-30 1988-01-07 United Technologies Corporation Tempern von einkristallinen Superlegierungskörpern
EP0433972A1 (de) * 1989-12-22 1991-06-26 Refurbished Turbine Components Limited Wiederherstellung einer Schaufel
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
EP2103779A1 (de) * 2008-03-18 2009-09-23 Turbine Overhaul Services Private Limited Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur des Verdrehwinkels einer Gasturbinenschaufel
US20090255114A1 (en) * 2008-04-15 2009-10-15 United Technologies Corporation Methods for correcting twist angle in a gas turbine engine blade
US20100037459A1 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Leading Edge Turbine Technologies, Ltd. Method for Correcting Downstream Deflection in Gas Turbine Nozzles

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0251983A1 (de) * 1986-06-30 1988-01-07 United Technologies Corporation Tempern von einkristallinen Superlegierungskörpern
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0433972A1 (de) * 1989-12-22 1991-06-26 Refurbished Turbine Components Limited Wiederherstellung einer Schaufel
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
EP2103779A1 (de) * 2008-03-18 2009-09-23 Turbine Overhaul Services Private Limited Verfahren und Vorrichtungen zur Korrektur des Verdrehwinkels einer Gasturbinenschaufel
US20090255114A1 (en) * 2008-04-15 2009-10-15 United Technologies Corporation Methods for correcting twist angle in a gas turbine engine blade
US20100037459A1 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Leading Edge Turbine Technologies, Ltd. Method for Correcting Downstream Deflection in Gas Turbine Nozzles

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOVERARE J J ET AL: "Deformation and damage mechanisms during thermal-mechanical fatigue of a single-crystal superalloy", ACTA MATERIALIA, ELSEVIER, OXFORD, GB, vol. 57, no. 7, 1 April 2009 (2009-04-01), pages 2266 - 2276, XP025977290, ISSN: 1359-6454, [retrieved on 20090225], DOI: 10.1016/J.ACTAMAT.2009.01.027 *
PYCZAK F ET AL: "The influence of different alloying elements on the development of the gamma/gamma' microstructure of nickel-base superalloys during high-temperature annealing and deformation", ACTA MATERIALIA, ELSEVIER, OXFORD, GB, vol. 53, no. 14, 1 August 2005 (2005-08-01), pages 3879 - 3891, XP004988455, ISSN: 1359-6454, DOI: 10.1016/J.ACTAMAT.2005.04.041 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113008694A (zh) * 2021-02-01 2021-06-22 中国航发沈阳发动机研究所 基于错配度的镍基高温合金涡轮叶片服役损伤评价方法
CN113008694B (zh) * 2021-02-01 2023-12-15 中国航发沈阳发动机研究所 基于错配度的镍基高温合金涡轮叶片服役损伤评价方法
CN115074819A (zh) * 2021-03-11 2022-09-20 隆基绿能科技股份有限公司 一种热场部件返修判断方法、处理方法、装置以及系统
CN115074819B (zh) * 2021-03-11 2023-08-01 隆基绿能科技股份有限公司 一种热场部件返修判断方法、处理方法、装置以及系统

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