Precisiereparatie van monokristallijne bladen van gasturbines: de sleutel tot verbeterde prestaties en betrouwbaarheid

Vooruitgang in de turbinebladtechnologie heeft de kosten van nieuwe componenten doen stijgen. De kosten van een enkelkristalblad zijn twee tot drie keer zo hoog als die van een conventioneel gegoten blad van vergelijkbare grootte en complexiteit. De hoge kosten van een monokristallijne component kunnen de eigenaar ertoe aanzetten de levensduur van de component te maximaliseren.

Als oplossing om de kosten voor het vervangen van componenten te verlagen, heeft ons bedrijf processen ontwikkeld die zijn ontworpen om de levensduur van componenten te verlengen. Eén zo'n proces is regeneratieve warmtebehandeling met volledige oplossing (FSR). FSR herstelt de microstructuur en mechanische eigenschappen van de legering naar een nieuwe staat. Het belangrijkste probleem van de warmtebehandeling van FSR-eenkristallegeringen is de vorming van herkristalliseerde korrels op het oppervlak met restspanning. Dit is een risico gezien het lage gehalte aan korrelgrensversterkende legeringsadditieven in monokristallijne legeringen. Herkristallisatie en/of verdwaalde korrels in monokristallijne legeringen resulteren in een verminderde vermoeiingslevensduur en spanningsbreeksterkte bij hoge temperaturen. Als gevolg hiervan worden ze door de oorspronkelijke fabrikant geïnspecteerd en afgewezen. Dit is een van de factoren voor de prijsstijging van éénkristalgietstukken!

Ons bedrijf voerde een proefreparatie uit om de haalbaarheid van FSR-warmtebehandeling van monokristallijne turbinebladen verder te evalueren, waarbij het van cruciaal belang was om ervoor te zorgen dat de kritische oppervlakken van de bladen geen plastische vervorming ondergingen om daaropvolgende herkristallisatie te voorkomen. Bovendien is het noodzakelijk om effectieve niet-destructieve testmethoden te gebruiken om de herkristallisatie van kritische oppervlakken te controleren. Demonstratiereparatie en destructieve analyse werden uitgevoerd met behulp van een gepensioneerde Siemens SGT-100 HP-turbineschoep bestaande uit CMSX-4 eenkristallegering, zoals weergegeven in figuur 2. De bladen waren in bedrijf gedurende 28,{{5} } uur. Na één reparatie werkte hij nog eens 12,000 uur. De totale servicetijd is 36,000 uur en de OEM informeert de operator dat het onderdeel is verlopen!

Een representatief blad in de groep werd onderworpen aan een destructieve inspectie in de staat "wanneer ontvangen" om een ​​basislijn van de metallurgische omstandigheden vast te stellen. De overige vijf messen moeten worden gerepareerd, waaronder:

Verwijderen van coating

Grootte- en penetratiedetectie

Volledige oplossing verjongende warmtebehandeling

Vervang de externe platina-aluminaatcoating

Een representatief blad in de groep werd onderworpen aan een destructieve inspectie in de staat "wanneer ontvangen" om een ​​basislijn van de metallurgische omstandigheden vast te stellen. De overige vijf messen moeten worden gerepareerd, waaronder:

Rasterelektronenmicroscopie van basislegeringen (gammavorm)

Stressfractuurtesten van microplaatmonsters genomen uit vleugelprofielen

Microscopisch onderzoek van interne en externe oppervlakken.

Het buitenoppervlak van het vleugelprofiel bevat een gealuminiseerde platinacoating, zoals weergegeven in figuur . Hoewel de coating gedeeltelijk was opgebruikt, bood deze effectieve bescherming tijdens eerdere onderhoudsintervallen, aangezien er geen schade aan de onderliggende basislegering werd waargenomen.

Binnenoppervlak van vleugelprofiel ongecoat, Figuur 3 rechts. Er werd een lichte oxidatie van de basislegering waargenomen op het binnenoppervlak met een penetratiediepte van<25 microns (0.001 in).

Nadat de coating is verwijderd, worden de bladeren gecontroleerd op aan het oppervlak blootgestelde scheuren of defecten door middel van fluorescentiepenetratietesten (FPI). Er zijn geen tekenen gevonden.

Uit het onderzoek bleek dat deze bladeren goede reparatieobjecten waren. Voor het meten van de wanddikte wordt gebruik gemaakt van ultrasone technologie.

Na de FSR-warmtebehandeling werden de herkristalliseerde korrels in de belangrijkste delen van de bladen niet-destructief onderzocht door middel van chemisch etsen. In vier van de vijf bladen verschijnen herkristalliseerde korrels in belangrijke gebieden (voorbeeld weergegeven in figuur 4).

Destructieve inspectie bevestigde dat de herkristallisatiediepte van ten minste één blad de bruikbare limiet overschreed (niet alle herkristallisatiegebieden waren vernietigd).

Op basis van deze bevinding werden nog eens twaalf afgedankte bladen ingediend voor verdere analyse. De groep bestaat uit zeven bladen uit dezelfde initiële testgroep van zes bladen en vijf bladen uit verschillende bladgroepen. Alle bladen werden gerepareerd, inclusief het verwijderen van de coating en een FSR-warmtebehandelingsproces, gevolgd door een macroscopische etsinspectie van de herkristalliseerde korrels.

Alle bladeren hadden aanvankelijk enkele herkristalliseerde korrels in verschillende mate in de belangrijkste gebieden. Het blad ondergaat een cyclus van mechanische korrelverwijdering en herinspectie totdat de herkristalliseerde korrels uit alle kritieke gebieden zijn verwijderd. Tenslotte werd een destructieve inspectie van de acht bladen (vijf in een groep van zeven en drie in een groep van vijf) uitgevoerd om de inspectieresultaten te verifiëren en de resterende wanddikte te beoordelen. Alle zeven bladen van de eerste groep bleken binnen de onderhoudslimieten te vallen, en vier vijfde van de bladen van de tweede groep bleken binnen de onderhoudslimieten te vallen.