Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen gegossenen Verbundaufbau zwischen metallischen
und nichtmetallischen Materialien, insbesondere für den Gas- und
Dampfturbinenbau sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundaufbaus.
Stand der Technik
Der Aufbau von Verbundaufbauten aus metallischen und nichtmetallischen
Materialien, wie beispielsweise das Beschichten von metallischen Bauteilen im
Gas- und Dampfturbinenbau mit keramischen Wärmedämmschichten, ist
allgemein bekannter Stand der Technik.
Dabei wird auf eine metallische Oberfläche eines Grundkörpers beispielsweise
mittels Plasma- oder Flammspritzen eine Haftschicht mit möglichst rauher
Oberfläche aufgespritzt. Die Rauhigkeit der Oberfläche dient dem formschlüssigen
Verankern der ebenfalls auf diese Oberfläche plasma- oder flammgespritzten
Wärmedämmschicht aus einem nichtmetallischen Material. Wegen der sehr
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und
nichtmetallischen Materialien, wie Keramiken, gelingen diese Verbindungen
üblicherweise nur bis zu einer Schichtdicke von < 500 µm.
Die plasma- oder flammgespritzen keramischen Wärmedämmschichten werden
auch Thermal Barrier Coating (TBC) genannt. Mit derartigen
Wärmedämmschichten versehene Bauteile werden beispielsweise in
Brennkammern eingesetzt oder als Gasturbinenschaufeln verwendet.
Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Haltestrukturen für keramische
Wärmedämmschichten sind neben dem beschriebenen Plasma- oder
Flammspritzen von Haftschichten beispielsweise auch das Senkerodieren, das
Laser-Wasserstrahl-Elekronenstrahl Modeling, das Löten und Sintern von
Partikeln (DE 195 45 025 A1) oder die Anfertigung einer mitgegossenen, im
wesentlichen netzartigen Skelettstruktur auf der Oberfläche des Grundkörpers (EP 0 935 009 A1).
Wird der Verbundaufbau mit hochporöser Keramik gespritzt, so können
Schichtdicken bis zu 1,5 mm erreicht werden. Diese Keramiken sind jedoch gegen
Fremdkörpereinschlag ausserordentlich empfindlich, so dass nur eine sehr kurze
Lebenszeit derartiger Verbundaufbauten gegeben ist und diese daher oft
ausgetauscht bzw. repariert werden müssen.
Um beispielsweise den Kühlluftverbrauch in einer Gasturbine deutlich zu senken
und somit den Wirkungsgrad zu heben, braucht man eine deutlich wirksamere
Wärmedämmung, als dies aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus
dem Dokument DE 195 45 025 A1, bekannt ist.
Diese wirksamere Wärmedämmung lässt sich durch die Applikation dickerer TBC-
Schichten erreichen. Um eine ausreichende Haftung dieser dicken Schichten auf
einem Grundkörper zu gewährleisten müssen aber sehr grobe Haltestrukturen auf
der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt werden.
Der Anmelderin ist ein Verfahren (DE 100 57 187.5) bekannt, bei dem kugel- oder
pilzförmige grobe Haltestrukuren (Ankerpunkte, auch Rivets genannt) auf eine
Oberfläche durch einen Schweissprozess, insbesondere Lichtbogen-
Schweissprozess hergestellt werden. Dabei wird zur Erzeugung dieser
Haltestrukturen ein bevorzugt endloser Schweissdraht abgeschmolzen, wobei der
abgeschmolzene Schweissdraht selbst die speziell geformten Ankerpunkte bildet.
Derartige aufgeschweisste grobe Ankerpunkte unterscheiden sich deutlich von
den angegossenen Skelettstrukturen, wie sie aus EP 0 935 009 A1 bekannt sind.
Die aus der Druckschrift EP 0 935 009 A1 bekannte angegossenen Struktur stellt
ein durchgängiges Netz dar, innerhalb dem sich dann nach dem Beschichten
einzelne Keramikinseln befinden. Die geschweissten Strukturen weisen dagegen
ein durchgehendes Keramiknetz auf mit einzelnen Metallinseln, was sich positiv
auf die Eigenschaften der Schicht auswirkt. So sind insbesondere die niedrigere
Wärmeleitung, die geringere der Oxidation ausgesetzte Metalloberfläche und die
bessere Verankerung der Keramikschicht bei den geschweissten Strukturen im
Vergleich zu den gegossenen netzartigen Strukturen zu nennen.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, den genannten Nachteil der bekannten gegossenen
netzartigen Struktur zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen
gegossenen Verbundaufbau zwischen metallischen und nichtmetallischen
Materialien, insbesondere für den Gas- und Dampfturbinenbau sowie ein
Verfahren zur Herstellung dieser Verbundaufbauten zu schaffen, bei dem
einerseits eine grosse Schichtdicke eines nichtmetallischen Materials stabil
haftend und unempfindlich gegen Schlageinwirkung auf ein metallisches Material
aufgebracht ist und andererseits eine geringere Wärmeleitung und eine geringere
der Oxidation ausgesetzte Metalloberfläche im Vergleich zum bekannten Stand
der Technik erzielt wird.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verbundaufbau zwischen metallischen und
nichtmetallischen Materialien, bei dem auf einer Oberfläche des einen
Grundkörper bildenden metallischen Materials eine Haftschicht angeordnet ist, auf
welche das nichtmetallische Material als Deckschicht aufgebracht ist, und die
Haftschicht aus separaten nebeneinander angeordneten kugelförmigen oder Steg
und Kopf aufweisenden pilzförmigen Rivets besteht, durch eine auf der
Oberfläche des Grundkörpers mitgegossene Haltestruktur aus den besagten
Rivets gelöst.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Herstellung der
Verbundaufbauten gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 8 dadurch gelöst,
dass die Rivets mittels bekanntem Wachsmodellgiessverfahren mit dem
Grundkörper mitgegossen werden.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die erfindungsgemässen Verbundaufbauten ein
durchgehendes Nichtmetallnetz, insbesondere Keramiknetz, mit einzelnen
Metallinseln aufweisen, was sich positiv auf die Eigenschaften der Schicht
auswirkt. So sind insbesondere die niedrigere Wärmeleitung, die geringere der
Oxidation ausgesetzte Metalloberfläche und die bessere Verankerung der
Keramikschicht bei den erfindungsgemässen gegossenen Haltestrukturen
gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten gegossenen netz- bzw.
gitterartigen Haltestrukturen zu nennen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verbundaufbauten sind in den Unteransprüchen
2 bis 7 offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist anhand einer Wärmedämmplatte für eine
Gasturbinenbrennkammer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den einzelnen
Verfahrensschritten dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine spritzgegossenen Wachsplatte mit separaten
spritzgegossenen Wachskugeln (erster Verfahrensschritt);
Fig. 2 einen Schnitt durch die Wachsplatte mit den montierten
(angeschmolzenen) Wachskugeln (zweiter Verfahrensschritt);
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Giessschale mit Wachsmodell (dritter
Verfahrensschritt);
Fig. 4 einen Schnitt durch die Giessschale mit ausgeschmolzenem Wachs
(vierter Verfahrensschritt);
Fig. 5 einen Schnitt durch die Giessschale mit eingegossenem Metall (fünfter
Verfahrensschritt);
Fig. 6 einen Schnitt durch das ausgeformte Gussteil mit abgetrenntem
Angusstrichter (sechster Verfahrensschritt);
Fig. 7 einen Schnitt durch die fertige mit TBC beschichtete Wärmedämmplatte
mit pilzförmigen Rivets (siebenter Verfahrensschritt) und
Fig. 8 einen Schnitt durch eine fertige mit TBC beschichtete
Wärmedämmplatte mit kugelförmigen Rivets.
Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale in den Figuren
dargestellt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1
bis 8 näher erläutert.
In den Fig. 1 bis 7 sind die einzelnen Schritte des erfindungsgemässen
Verfahrens schematisch dargestellt, wobei in Fig. 7 der erfindungsgemässe
Verbundaufbau mit pilzförmigen Rivets beispielhaft abgebildet ist. In Fig. 8 ist eine
weitere Ausführungsvariante der Erfindung mit kugelförmigen Rivets dargestellt.
Für derartigen Verbundaufbauten 1, wie speziell aus der Fig. 7 und 8 ersichtlich,
wird auf die Oberfläche eines metallischen Grundkörpers 2 eine Haftschicht 3
aufgebracht, die aus einzelnen Ankerpunkten, hier Rivets 4 genannt, gebildet
wird, auf die dann anschliessend ein nichtmetallisches Material 5 aufgetragen
wird. Charakteristisch für die vorliegende Erfindung ist, dass die Haltestruktur
(Haftschicht 3) auf der Oberfläche 10 des Grundkörpers 2 zusammen mit dem
Grundkörper 2 mitgegossen ist und aus den besagten Rivets 4 besteht. Als
Material für den Grundkörper 2 und die Rivets 4 sind beispielsweise IN 738, IN
939, MA 6000, PM 2000, CMSX-4 und MARM 247 einsetzbar.
Die vorgefertigten Rivets 4 haben entweder eine pilzförmige Struktur und weisen
dann einen Steg 8 und einen Kopf 9 auf (Fig. 7) oder sie sind kugelförmig
ausgebildet (Fig. 8). Die Form der Rivets 4 kann variieren, d. h. sie können
unterschiedliche Steghöhen und unterschiedliche Steg- bzw. Kopfdurchmesser
haben.
Von Vorteil ist, wenn die mitgegossenen pilzförmigen Rivets 4 einen
Kopfdurchmesser 12 von ca. 0,8 mm bis 3 mm und einen Stegdurchmesser 13
von ca. 0,5 mm bis 2 mm, sowie eine Höhe 11 von ca. 1 mm bis 10 mm
aufweisen. Dann sind sehr gute Verankerungsmöglichkeiten für die später
aufzubringende nichtmetallische Schicht gegeben.
Die mitgegossenen kugelförmigen Rivets 4 weisen bevorzugt einen Durchmesser
12 von ca. 0,5 mm bis 3 mm auf, weil dann ebenfalls gute
Verankerungsmöglichkeiten für das aufzubringende nichtmetallische Material 5
vorhanden sind.
Durch die spezielle Form der Rivets 4 wird erreicht, dass eine entsprechende
Oberflächenrauhigkeit geschaffen wird, wodurch das im flüssigem Zustand
aufzutragende nichtmetallische Material 5 eine formschlüssige Verbindung mit
dem metallischen Grundkörper 2 herstellt, d. h., dass von den Rivets 4
entsprechende Hintergreifungen 6 in Form von Freiräumen zwischen den Rivets 4
und den Grundkörper 2 gebildet werden, in die das nichtmetallische Material 5
einfliesst bzw. sich verkrallt und somit eine feste Verbindung des
nichtmetallischen Materials 5 mit dem metallischen Material, insbesondere dem
Grundkörper 2, hergestellt wird. Das Auftragen des nichtmetallischen Materials 5,
z. B. Keramik, kann über bekannte Vorgänge, wie das Plasma- oder
Flammspritzen, erfolgen.
Wesentlich für die Herstellung eines derartigen Verbundaufbaus 1 ist, dass eine
definierte Oberflächenrauhigkeit mit ausreichenden Hintergreifungen 6 hergestellt
wird, damit eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Schichtdicke 7 für das
nichtmetallische Material 5 erzielt werden kann. Eine grosse Schichtdicke 7
bewirkt beispielsweise, dass bei einer Gasturbine eine deutliche Reduzierung des
Kühlluftverbrauches erzielt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine
wesentlich erhöht wird. Damit jedoch eine grosse Schichtdicke 7 geschaffen
werden kann, muss eine wesentlich grössere Haltestruktur bzw. gröbere
Haftschicht 3 gebildet werden, als dies aus dem Stand der Technik durch
Auftragen von Lötpasten mit Zusatzelementen oder dgl. bekannt ist. Es kann also
gesagt werden, dass in Abhängigkeit von der Form und der Größe der Rivets 4
eine entsprechend Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5 auf den
Grundkörper 2 aufgetragen werden kann.
Bei derartigen Verbundaufbauten 1, wie sie beispielsweise bei Gas- oder
Dampfturbinen eingesetzt werden, sollte das aufgetragene nichtmetallische
Material 5 einen ausreichenden Fremdkörpereinschlag widerstehen können, ohne
dabei das nichtmetallische Material 5 vom metallischen Material, also vom
Grundkörper 2, zu trennen bzw. von diesem abzuspringen. Sollte jedoch aufgrund
einer zu grossen Krafteinwirkung das nichtmetallische Material 5 durch einen
Fremdkörpereinschlag dennoch abgesprengt werden, so ist zu gewährleisten,
dass nur eine geringe Zerstörung der Oberfläche des Verbundaufbaues 1
stattfindet. Aufgrund der speziellen Herstellung der Haftschicht 3, insbesondere
der speziellen Ausbildung der pilzförmigen Rivets 4, wird erreicht, dass bei einem
Fremdkörpereinschlag nur jenes Material abgesprengt wird, welches über die
Rivets 4 hinausragt, wobei jedoch das nichtmetallische Material 5 zwischen den
Rivets 4 nicht vom Verbundaufbau 1 abgetrennt wird. Dadurch werden nur
geringe Angriffspunkte über die Rivets 4 auf den Grundkörper 2 gebildet.
Dies wird insofern erreicht, als dass durch die speziell definierte Ausbildung der
Rivets 4 mit Steg 8 und Kopf 9 grossflächige Hintergreifungen 6 und eine
definierte Anzahl von Rivets 4 auf einer vorgegebenen Fläche gebildet werden
können, so dass das nichtmetallische Material 5, welches die Rivets 4 einbettet,
mit diesen eine sehr feste Verbindung herstellt und dieses somit nicht mehr
zwischen den einzelnen Rivets 4 vom Grundkörper 2 getrennt werden kann. Eine
derartige Darstellung mit einem Fremdkörpereinschlag, bei dem ein Teil des
nichtmetallischen Materials 5 abgesprengt ist, ist schematisch im rechten Teil von
Fig. 7 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass das nichtmetallische Material 5 bei
einem Fremdkörpereinschlag zwar oberhalb der Rivets 4 abgesprengt ist, jedoch
zwischen den Rivets 4 haftend bleibt und somit nur ein geringer Wärmeübergang
auf den Grundkörper 2 über die Rivets 4 entstehen kann, wodurch eine
unerwünschte Zerstörung des Verbundaufbaus 1 im Bereich des
Fremdkörpereinschlages verhindert werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn die Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5,
welches beispielsweise keramisches Material, vorzugsweise Yttrium-stabilisiertes
Zirkonoxid ist, zwischen 1 mm und 20 mm beträgt, weil dadurch die
Wärmedämmschicht auch sehr hohen Temperaturunterschieden problemlos
widersteht.
Der Abstand 14 zwischen zwei benachbarten Köpfen 9 der Rivets 4 sollte
vorzugsweise ca. das 1- bis 5-fache des Durchmessers 12 des Kopfes 9
betragen. Grössere Abstände sind ebenfalls denkbar.
Als konkretes Ausführungsbeispiel wird gemäss Fig. 1 bis 7 eine
Wärmedämmplatte für eine Gasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung
derselben beschrieben.
Die Herstellung der Platten erfolgt in folgenden Schritten:
- - Zunächst wird in bekannter Art und Weise ein Wachsmodell hergestellt.
Gemäss Fig. 1 werden dazu separat einzelne Wachskugeln 15 sowie eine
Wachsplatte 16 mit Stegen 17 gegossen.
- - Gemäss Fig. 2 werden anschliessend in einem zweiten Verfahrensschritt die
Wachskugeln 15 auf die freien Enden der Stege 17 angeschmolzen.
- - In einem dritten Verfahrensschritt (Fig. 3) wird eine Giessschale 18 um das
Wachsmodell, welches auch einen Angusstrichter 19 aufweist, gelegt.
- - Anschliessend wird das Wachs ausgeschmolzen, so dass ein dem zu
giessenden Teil entsprechender Hohlraum 20 in der Giessschale 18 entsteht
(Fig. 4).
- - Der Hohlraum 20 wird mit dem flüssigen Metall, hier IN 939 mit folgender
chemischen Zusammensetzung: 22.5% Cr, 19% Co, 2% W, 1% Nb, 1.4%
Ta, 3.7% Ti, 1.9% Al, 0.1% Zr, 0.01% B, 0.15% C, Rest Ni aufgefüllt (Fig.
5).
- - Nach dem Erstarren des Materials wird das Gussteil ausgeformt und der
Angusstrichter 19 wird abgesägt (Fig. 7). Die Grundplatte 2 weist an ihrer
Oberfläche 10 somit mitgegossene pilzförmige Rivets 4 auf, welche die
Haftschicht 3 für das aufzubringende nichtmetallische Material 5 darstellen.
Die Rivets 4 weisen einen Durchmesser 12 des Kopfes 9 von 1,2 mm, einen
Durchmesser 13 des Steges 8 von 0.6 mm und eine Steghöhe von 1 mm auf,
was einer gesamten Höhe 11 der Rivets 4 von 2,2 mm entspricht. Der Abstand
14 zweier benachbarter Köpfe 9 der Rivets 4 beträgt etwa 1,5 mm.
- - Abschliessend wird diese gegossene metallische Grundplatte 2 mit den
angegossenen Rivets 4 mit TBC mittels Air Plasma Spraying beschichtet. Die
TBC-Schicht besteht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid mit folgender
chemischen Zusammensetzung: 2,5% HfO2, 7-9% Y2O3, < 3% andere, Rest
ZrO. Die Schichtdicke 7 der TBC-Schicht beträgt ca. 4,5 bis 5 mm.
Eine derartig beschichtete Wärmedämmplatte wurde einem Thermoschocktest
von 1200°C auf Raumtemperatur unterzogen. Auf der TBC-Seite wurde mittels
Flamme geheizt (1200°C), auf der Grundkörperseite mittels Pressluft gekühlt
(900°C). Es wurden 850 Thermozyklen absolviert ohne dass es zu einem
Abplatzen der TBC-Schicht kam. Dies zeigt die ausgezeichneten
Verankerungsmöglichkeiten des keramischen Materials 5 in der aus den mit dem
Grundkörper 2 mitgegossenen Rivets 4 bestehenden Haftschicht 3.
Selbstverständlich können neben den beschriebenen mitgegossenen pilzförmigen
Rivets 4 auch kugelförmige Rivets 4 verwendet werden (Fig. 8).
Bezugszeichenliste
1
Verbundaufbau
2
Metallischer Grundkörper
3
Haftschicht
4
Rivet (Ankerpunkt)
5
Nichtmetallisches Material
6
Hinterschneidung
7
Schichtdicke von Pos.
5
8
Steg von Pos.
4
9
Kopf von Pos.
4
10
Oberfläche von Pos.
2
11
Höhe von Pos.
4
12
Durchmesser von Pos.
9
13
Durchmesser von Pos.
8
14
Abstand zwischen zwei benachbarten Köpfen von Pos.
4
15
Wachskugel
16
Wachsplatte
17
Stege vom Pos.
16
18
Giessschale
19
Angusstrichter
20
Hohlraum in Pos.
18