BMWi – gefördertes Cooretec – Verbundvorhaben

Partner RWTH Aachen: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT
Institut für Allgemeine Mechanik IAM
Forschungszentrum Jülich: Institut für Energie- und Klimaforschung; IEK-2
Companies: MAN Diesel und Turbo, Oberhausen
Siemens AG, Mülheim / Ruhr
General Electric, Mannheim

Schaufeln aus Einkristall-Nickellegierungen in den vorderen Reihen stationärer Gasturbinen werden aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen intensiv gekühlt und sind zusätzlich mit keramischen Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings TBC) auf Basis von stabilisiertem Zirkondioxid beschichtet, um Anschmelzen und Versagen infolge Überhitzung zu verhindern. Idealerweise werden die Kühlluftbohrungen als einer der letzten Bearbeitungsschritte an komplett beschichteten Bauteilen eingebracht, was bei Schaufeln ohne TBC Beschichtung mittels ECM (Electrolytic Machining) oder EDM (Electro Discharging Maching) erfolgt. Beide Verfahren liefern sehr gleichmäßige Bohrungen mit glatten Innenflächen. Diese Verfahren könne bei Keramik beschichteten Schaufeln nicht angewandt werden, da die Keramikbeschichtung nicht elektrisch leitfähig ist. Daher kommt als Bearbeitungsverfahren nur das Laserstrahlbohren infrage, was für nicht rotierende Leitschaufeln angewandt wird. Für rotierende Schaufeln ist dies nicht geeignet, da beim Laserstrahlbohren an den Innenwänden der Bohrungen Schmelzreste des abgetragenen Materials erstarren und bei der Abkühlung feine Risse in dieser Schicht entstehen. Diese Risse können im Betrieb aufgrund der hohen Fliehkräfte wachsen und besonders beim thermischen Zyklieren letztlich zum Schaufelbruch im Betrieb führen.

Ziel des Vorhabens am LLT ist eine signifikante technologische Weiterentwicklung des Bohrprozesses, um die verfahrensbedingt entstehenden Schmelzschichten und Risse an den Bohrungswänden zu vermeiden. Dazu wird zunächst eine Vorbohrung mit großer Produktivität mittels gepulster Laserstrahlung mit großen Pulsenergien bis zu 10 J erzielt. In einem zweiten Schritt wird erstmals ultrakurzgepulste Laserstrahlung zur Fertigung von Kühlluftbohrungen verwendet. Durch den resultierenden verdampfungsdominanten Materialabtrag entsteht nahezu keine Wärmeeinbringung in das Werkstück. Die rissbehafteten Schmelzschichten an den Bohrungswänden werden somit im zweiten Prozessschritt abgetragen. Als Werkstoffe werden hochfeste gerichtet erstarrte Nickelbasislegierungen der 2. Generation verwendet, die aktuell im Triebwerksbau eingesetzt werden.

An lasergebohrten Proben werden am IEK-2 thermomechanische Ermüdungsversuche mit kontrollierten Dehnungsschwingbreiten bei Temperaturen von 900 bis 1050 °C durchgeführt, um den Einfluss der Bohrungen auf die Lebensdauer der beschichteten Bohrungen und die Schädigungsmechanismen zu untersuchen. Mittels Finite-Elementanalyse werden die bei den Versuchen auftretenden Spannungen berechnet in Abhängigkeit von Dehnschwingbreite, Temperatur und Haltezeit und der Einfluss der Bohrlochgeometrie und des Bohrlochwinkels auf die Spannungs- und Schädigungsentwicklung ermittelt. Diese Berechnungen werden am IEK-2 und am IAM durchgeführt.

Die Ergebnisse werden von den beteiligten Industriepartnern zur Entwicklung effizienterer Triebwerke und Gasturbinen mit höherer Lastflexibilität für die Integration in regenerative Stromnetzwerke benötigt.

Fig.1: Cooling holes in a TBC coated blade of an industrial gas turbine (Copyright YXLON)

Fig. 2: TMF test facility with radiation furnace for investigation of TBC coated nickel base superalloys

Fig. 4: Cooling hole with and without recast layaer - With recast layer and crack in base material

Fig. 5: Cooling hole with and without recast layaer - without recast layer


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