Vorrichtung und akustisch überwachte Wasserstrahlverfahren

Abstract

 Durch die akustische Überwachung beim Wasserstrahlen kann delektiert werden, wenn nur noch ein dünner Wandbereich (22) in der durchzubohrenden Wand (22) vorhanden ist, so dass die Parameter des Wasserstrahlverfahrens in gewünschter Weise angepasst werden können.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Wasserstrahlverfahren, bei dem akustische Signale zur Überwachung verwendet werden und eine Vorrichtung dafür.

[0002] Wasserstrahlverfahren zur Materialbearbeitung oder Durchgangslöcher sind Stand der Technik. Das Herstellen von Durchgangslöchern bei Hohlkörpern wie bei Turbinenschaufeln wird erschwert, wenn das Durchbohren von Wänden zu Rückwandschädigungen im Innenbereich des Hohlraums führt.

[0003] Bisher wurde durch aufwändiges Maskieren die Rückwandschädigung verhindert.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.

[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wasserstrahlverfahren gemäß Anspruch 3 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

[0006] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0007] Es zeigen:

Figur 1 bis 4

schematisch die Vorgehensweise beim Wasserstrahlverfahren,

Figur 5

eine Turbinenschaufel als ein Beispiel für ein zu bearbeitendes Bauteil und

Figur 6

eine Liste von Superlegierungen.

[0008] Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der der Erfindung dar.

[0009] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Wasserstrahlverfahren für die Bearbeitung eines Bauteils 4, 120, 130 zwecks Materialabtrags.

[0010] Die Vorrichtung 1 umfasst eine Halterung oder eine Lagerung (nicht dargestellt) für eine Wand eines Bauteils 4, 120, 130, in das ein Durchgangsloch 13' (Fig. 4) erzeugt werden soll.

[0011] Das Material, das bearbeitet ist, ist vorzugsweise ein Metall, insbesondere eine nickel- oder kobaltbasierte Legierung, insbesondere eine Legierung nach Figur 6.

[0012] Dies erfolgt mittels einer Wasserstrahldüse 10, die einen Wasserstrahl 7, 7' aufweist, für den bestimmte Parameter einstellbar sind.

[0013] Durch den Wasserstrahl 7, 7' wird am Bauteil 4, 120, 130 oder in der Wand 4 ein bestimmtes Frequenzsignal 16, 16' in Abhängigkeit von der Tiefe des Lochs erzeugt, das durch einen entsprechenden Sensor 19 erfasst wird.

[0014] Anfangs ist die Frequenz tief und steigt dann an.

[0015] Zuerst wird in Figur 1, 2 ein oberer Bereich 13 des Durchgangslochs 13' erzeugt, bei dem tiefe, nicht hörbare oder tiefe hörbare Frequenzen 16 generiert werden.

[0016] Erreicht der Wasserstrahl 7 eine gewisse Tiefe bzw. ist nur noch ein gewisser Wandstärkerest 22 der Wand des Bauteils 4, 120, 130 vorhanden, hat sich die Frequenz in einen höheren oder hörbaren Bereich 16' verschoben. Vorzugsweise liegt die Frequenz dann im nicht mehr hörbaren Bereich.

[0017] Ab diesem Zeitpunkt des Erreichens einer bestimmten Frequenz, die experimentell vorab einmalig ermittelt werden kann, wird die Bearbeitung abgebrochen mit einem anderen Verfahren fortgeführt (beispielsweise manuell) oder das Wasserstrahlverfahren wird mit angepassten Parametern, dem veränderten Wasserstrahl 7' weiter durchgeführt, die nicht zu einer Schädigung des Innenbereichs 25 (Fig. 4) führen.

[0018] Dies geschieht insbesondere durch die Reduzierung des Drucks, also der verwendeten Pressluft und/oder der Reduzierung der Pulsrate und/oder der Reduzierung der Energie pro Puls.

[0019] Dies verringert zwar die Abtragsrate, aber das Durchgangsloch 13' wird ohne weitere Beschädigungen des Innenbereichs 25 hergestellt.

[0020] Es treten keine Rückwandschäden innerhalb des Hohlraums auf. Das Verfahren funktioniert ohne vorherige Ermittlung der Wandstärke.

[0021] Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

[0022] Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

[0023] Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

[0024] Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).

[0025] Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).

[0026] Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

[0027] Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

[0028] Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.

[0029] Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

[0030] Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

[0031] Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

[0032] 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.

[0033] 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 Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

[0034] 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 A1 bekannt.

[0035] 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), Nickel (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 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.

[0036] Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.

[0037] Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).

[0038] Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-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-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.

[0039] Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

[0040] Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.

[0041] Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0042] Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.

[0043] 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 Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

[0044] 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 angedeutet) auf.

Ansprüche

1. Wasserstrahlvorrichtung (1), die zumindest aufweist:

eine Halterung oder Auflage für ein zu bearbeitendes Bauteil (4, 120, 130),

eine Wasserstrahldüse (10),

die einen veränderbaren Wasserstrahl (7, 7') ausströmen lassen kann sowie

zumindest einen Sensor (19),

der akustische Signale von dem Berührungspunkt des Wasserstrahls (7, 7') mit dem Bauteil (4, 120, 130) empfangen kann,

eine Kontroll- und/oder Regelvorrichtung (11) für die Wasserstrahldüse (10),

die (11) die Signale des Sensors (19) verarbeiten kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei dem Parameter des Wasserstrahls (7, 7') einstellbar sind,
insbesondere durch die Kontroll- und/oder Regelvorrichtung (11).

3. Wasserstrahlverfahren zur Bearbeitung eines Bauteils (4, 120, 130),
insbesondere mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein der Parameter Druck, Pulsrate, Energie,
insbesondere Energie pro Puls eines bearbeitenden Wasserstrahls (7. 7') verändert wird,
wenn ein akustisches Signal,
das von der Abtragungsfläche (14) des Wasserstrahls (7, 7') ausgesendet wird,
sich ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem die Parameter nur am Ende des Verfahrens verändert werden.

5. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 3 oder 4, bei dem der Wasserstrahl (7, 7') gepulst wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Anspruch 3, 4 oder 5,
bei dem ein Durchgangsloch (13') erzeugt wird.

Zeichnung