-
Technisches
Gebiet
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Metallkomponenten, die in einer
Hochtemperaturumgebung verwendet werden. Spezieller ist die Erfindung
auf die Bildung von Konkavitäten
in den Heißgaspfadkomponenten
für Turbinenanordnungen
gerichtet.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Vielfältige Typen
von Metallkomponenten werden in Hochtemperaturumgebungen verwendet. Turbinenmaschinenteile
sind Beispiele für
diese Arten von Komponenten. Diese Teile werden gewöhnlich durch
ein Investment Casting- oder Feingießverfahren hergestellt.
-
Die
entlang des Heißgaspfades
einer Turbinenmaschine herrschenden Spitzentemperaturen werden aus
Gründen
der Betriebseffizienz oft so hoch wie möglich gehalten. Die Turbinenschaufeln und
andere Elemente der Maschine sind üblicherweise aus Metalllegierungen
(z.B. Superlegierungen) hergestellt, die der Hochtemperaturumgebung
standhalten können.
Die Superlegierungen weisen üblicherweise
eine Betriebstemperaturgrenze von etwa 1000°C bis 1150°C auf. Ein Betrieb oberhalb
dieser Temperaturen kann den Ausfall von verschiedenen Turbinenelementen
verursachen und die Kraft maschine beschädigen.
-
Die
Heißgaspfadkomponenten
von Turbinen verwenden typischerweise eine Vielzahl von internen Durchgängen oder
Kanälen,
durch die ein Kühlfluid (wie
z.B. Luft) geleitet wird. Die Verwendung des Kühlfluids hält die Materialtemperatur der
Komponenten auf einem akzeptablen Temperaturniveau. Das US-Patent
Nr. 6,644,921 (Bunker und andere) erörtert die Verwendung von Kühlkanälen in verschiedenen
Komponenten, wie z.B. Turbinenschaufeln. Das US-Patent Nr. 5,690,472
(Lee) beschreibt eine interne, vermaschte Kühbohrungsanordnung für ein Turbinenschaufelblatt.
-
Zahlreiche
verschiedene Typen von Kühlkanälen können in
einer Vielzahl von Situationen verwendet werden. Diese Arten von
internen Kanälen werden üblicherweise
durch das Eingießen
von Keramikkernen während
des Feingießverfahrens
gebildet. Die Entfernung des Kerns aus dem endgültigen Gussstück führt zu dem
gewünschten
Hohlkanal – oft einem
komplexen, präzise
definierten, inneren Strömungsnetz
für ein
Kühlfluid.
-
Sehr
oft enthalten die Kühlkanäle Oberflächenstrukturen,
die die Effizienz der Kühlung
der Komponente wesentlich erhöhen.
Zum Beispiel können
die Kanäle
eine Verwirbelung oder Turbulation enthalten. Das erwähnte Patent
von Bunker und anderen, auf das Bezug genommen wird, nennt die Verwendung
einer solchen Verwirbelungsvorrichtung in der Form von Querrippen-Aufrauhungsvorrichtungen.
Der sich ergebende Anstieg der Kühlungseffizienz
verringert letztendlich die Betriebstemperatur der Turbinenkomponente.
-
Verwirbelung
kann zur Steigerung der Kühlungseffizienz entlang
eines Heißgaspfades
sehr effizient sein. In einigen Situationen bestehen jedoch Nachteile
im Zusammenhang mit diesem Typ von Merkmal. Zum Beispiel kann die
Anwendung der Verwirbelung in bestimmten Bereichen einer Schaufelblattoberfläche in unerwünschter
Weise zu einem erheblichen Druckverlust infolge von Reibungseffekten führen.
-
Zum
Teil aufgrund der gelegentlichen Nachteile bei der Nutzung der Verwirbelung
haben andere Typen von Oberflächenmerkmalen
ein großes
Interesse auf sich gezogen. Wie in dem US-Patent Nr. 6,644,921 beschrieben
ist, kann die Verwendung von verschiedenen Typen von Oberflächenvertiefungen oder „Konkavitäten" in Kühlkanälen auch
die Wärmeübertragungseigenschaften
der Komponenten verbessern. In einigen Beispielen bewegt sich die
Kühlfluidmasse
in einer Spiralbewegung über
ein ausgewähltes
Muster aus Konkavitäten.
Die Spiralbewegung dient zum Umwälzen
zentralen Kühlmittels
an die Wärmeübertragungsoberfläche. Auf
diese Weise wird der Wärmeaustauschvorgang
im Vergleich mit einem Verfahren, in dem Verwirbelung verwendet wird,
effizienter.
-
Leider
kann es oft extrem schwierig sein, Konkavitäten innerhalb einiger innerer
Bereiche der Metallkomponenten zu bilden. Zum Beispiel kann es kein
praktisches Verfahren zum Bilden von Konkavitäten in einigen Bereichen des
inneren Strömungsnetzes
einer Gasturbinenschaufel geben. Darüber hinaus ist die Bildung
eines speziellen Musters von Konkavitäten mit genauen Abmessungen
in diesen Bereichen oftmals unmöglich
gewesen. Die Konkavitäten
sind oft zu klein, um gegossen zu werden, z.B. durch die Feingießtechnik,
die zur Bildung des Teils verwendet werden. Versuche, die Konkavitäten zu gießen, können auch
weitere Probleme wie vorzeitige Formabnutzung verursachen.
-
Verfahren
wie das elektrochemische Abtragen (Electro-chemical Machining, ECM) und das funkenerosive
Abtragen (Electro-discharge Maching, EDM) können manchmal angewandt werden,
um Konkavitäten
und andere Strukturen an ausgesetzten Oberflächen eines Substrats zu bilden.
Diese Verfahren können
jedoch wegen des Fehlens eines einfachen Zugangs nicht einfach zur
Bildung von Strukturen in umschlossenen, inneren Bereichen benutzt
werden.
-
Daher
sollte es deutlich werden, dass neue Verfahren zur Bildung von Konkavitäten in Metallkomponenten
in der Fachwelt willkommen wären. Vorteilhafte
Verfahren wären
insbesondere in der Lage, Konkavitäten innerhalb der inneren Bereiche
von komplexen Teilen, z.B. komplexen, serpentinengekühlten Turbinenschaufeln,
zu bilden, würden
die Bildung von Konkavitäten
mit sehr speziellen Abmessungen nach einem beliebigen gewünschten
Muster ermöglichen
und wären
allgemein mit anderen, zur Bildung von Metallkomponententeilen verwendeten Verfahren,
wie z.B. verschiedenen Gießverfahren, kompatibel.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Eine
Ausführungsform
dieser Erfindung ist auf ein Verfahren zum Verändern der Oberfläche eines
keramischen Kerns gerichtet, das den Schritt des Auftragens eines
keramikbasierten Materials durch ein Direct Write- oder Direktschreibverfahren
auf die Kernoberfläche
gemäß einem
zuvor gewählten
Muster enthält.
-
Eine
andere Ausführungsform
dieser Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bildung wenigstens einer
Konkavität
von einer ausgewählten
Größe und Form
auf einer Oberfläche
ei nes internen Kanals einer metallischen Komponente gerichtet. Das
Verfahren enthält
die folgenden Schritte:
- (a) Auftragen eines
keramikbasierten Materials durch ein Direktschreibverfahren auf
einen Keramikkern, der zur Bildung des internen Kanals während eines
Gießvorgangs
zur Herstellung der metallischen Komponente geeignet ist, wobei
das keramikbasierte Material als ein Positiv oder eine erhabene
Struktur in einer Form aufgetragen wird, die zu der Form der Konkavität komplementär oder invers
ist, sobald sie ausgehärtet
ist,
- (b) Wärmbehandeln
des in Schritt (a) aufgetragenen, keramikbasierten Materials,
- (c) Bilden der metallischen Komponente durch ein Gießverfahren,
bei dem der Keramikkern an einer Position in das Gussteil eingegossen
wird, die als eine erwünschte
Lage für
einen internen Kanal ausgewählt
worden ist, und danach
- (d) Entfernen des Keramikkerns aus der Metallkomponenten, nachdem
der Gießvorgang
abgeschlossen ist, und dadurch Ausbilden des internen Kanals mit
der in der Oberfläche
des Kanals enthaltenen Konkavität,
wobei die Konkavität durch
die Entfernung der erhabenen Struktur des keramikbasierten Materials
gebildet wird.
-
Ein
Vorteil dieser Erfindung ist ihre Eignung zur genauen Bildung von
Konkavitäten
innerhalb von komplizierten oder schwierig herstellbaren Kühlkanälen von
Turbinenmaschinenkomponenten. Folglich stellen die durch das hierin
beschriebene Verfahren hergestellten Komponenten eine weitere Ausführungsform
dieser Erfindung dar.
-
Weitere
Einzelheiten hinsichtlich der verschiedenen Merkmale dieser Erfindung
sind in der restlichen Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen
zu finden.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung von Keramikkegelstümpfen, die auf die Oberfläche eines Kerns
aufgetragen worden sind, neben den zugehörigen Konkavitäten, die
sich aus der Verwendung dieses Kerns während eines Metallgießvorgangs
ergeben.
-
2 zeigt
eine allgemeine Darstellung eines Direktschreib-Pensystems zur Auftragung
erhabener Strukturen auf die Oberfläche eines Kerns.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Roboter-Mehrachsen-Pensystems
zum Direktschreiben erhabener Strukturen auf eine Kernoberfläche.
-
4 zeigt
eine Querschnittsdarstellung eines Abschnittes eines hohlen Schaufelblattes,
das in einer vermaschten Kühlhohlraumanordnung
verteilte Konkavitäten
enthält.
-
5 zeigt
eine weitere Darstellung von Konkavitäten, die in einer vermaschten
Kühlhohlraumanordnung
verteilt sind.
-
6 zeigt
eine Fotografie eines Abschnittes eines Keramiksubstrats, auf das
ein Muster von Keramikstrukturen aufgetragen worden ist.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Eine
Vielzahl von metallischen Komponenten kann im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung verwendet werden. Nicht beschränkende Beispiele
für die
Metalle sind Stahl, Aluminium, feuerfeste Metalle, wie z.B. Titan
und Niob, und Superlegierungen, wie z.B. solche auf der Basis von
Nickel, Kobalt oder Eisen. Die Komponenten sind üblicherweise Gegenstände, die
einer hohen Temperatur ausgesetzt sind und Kühlung benötigen. Die Komponenten sind
auch solche, die irgendeine Art von innerem Durchgang benötigen. Wie
oben erwähnt
sind die Schaufelblätter
von Turbinenmaschinen ein wichtiges Beispiel.
-
Keramikkerne,
die zur Bildung des inneren Kanals einer metallischen Komponente
verwendet werden, sind in der Fachwelt wohlbekannt. Sie werden häufig bei
einem Feingießvorgang
von gerichtet erstarrten, eutektischen und Superlegierungsmaterialien
verwendet. Informationen im Zusammenhang mit Feingussverfahren,
Kernen und keramischen Maskenformen sind weit verbreitet erhältlich.
Beispielhafte Quellen für
nützliche
Informationen sind folgende: „Kirk-Othmer
Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Band 7, Seiten 798 ff., „Modern
Metalworking" von
J. R. Walker, The Goodheart-Willcox Co, Inc., 1965 und „Shell
Molding and Shell Mold Castings" von
T. C. Du Mond, Reinhold Publishing Corp., 1954.
-
Fachleute
sind mit einer Vielzahl von Faktoren vertraut, die die Auswahl des
Kernmaterials und der Verarbeitungsbedingungen beeinflussen. Allgemein
müssen
Keramikkerne bei hohen Gießtemperaturen
physikalisch und chemisch stabil bleiben. Sie müssen auch relativ reaktionsresistent gegenüber dem
geschmolzenen Metall sein, das zur Bildung der Metallkomponente
gegossen wird. Darüber
hinaus müssen
die Kerne, nachdem der Vorgang abgeschlossen ist, aus dem Gussteil
entfernt werden können,
z.B. durch Auslaugverfahren, die in einer wirtschaftlich vernünftigen
Zeit durchgeführt
werden können.
-
Spezielle
Informationen im Zusammenhang mit Kernen und Verfahren zur Herstellung
derselben sind auch in vielen Bezugsquellen beschrieben. Die nicht
beschränkenden
Beispiele umfassen die US-Patente Nr. 5,014,763 (Frank), 4,141,781
(Greskovich und andere), 4,097,292 (Huseby und andere) und 3,654,984
(hellen Jr. und andere), die alle durch die Bezugnahme hierin einbezogen
werden. Das keramikbasierte Material, aus dem der Kern gewöhnlich hergestellt
wird, enthält
typischerweise wenigstens einen aus der Menge ausgewählten Bestandteil,
die Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Aluminium,
Siliziumdioxid (z.B. geglühtes
Siliziumdioxid), Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Magnesiumoxid,
Silikate (z.B. Aluminiumsilikat und Zirkoniumsilikat), Yttriumoxid,
Zirkondioxid und Siliziumdioxid-Zirkon enthält. Wie Fachleute wissen, kann
auch eine Vielzahl von Bindemitteln bei der Fertigung des Kerns
verwendet werden. Beispiele enthalten Ethylsilikat und Kolloidaluminiumoxid, Natriumsilikat,
Kolloidzirkonium und Kolloidsiliziumdioxid. Die Bindemittel sind
oft von organischer Basis, z.B. polymerisierbare Monomere wie Acrylamide, Acrylate
und Kombinationen davon.
-
Wie
Fachleute verstehen, werden die Kerne manchmal durch Spritzgieß- oder
Pressspritzverfahren hergestellt. In vielen Fällen werden sie aus einem keramischen
Slurry oder Schlamm hergestellt. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann ein Kern aus einem keramischen Slurry aus einer ge frierbaren Flüssigkeit,
einem keramischen Pulver und einem Geliermittel hergestellt werden,
wie es in dem genannten Patent von Frank beschrieben ist. Die Slurryzusammensetzung
kann in eine kernförmige
Formvertiefung eingebracht und dann den Gefrier- und Gelierschritten
ausgesetzt werden. Der geformte "Grünkörper" wird dann nach einem
geeigneten Temperatur- und Zeitplan erhitzt, wodurch ein gesinterter Keramikkern
entsteht.
-
Wie
oben erwähnt,
erzeugt der Keramikkern die inneren "hohlen" Bereiche einer Metallkomponente, wenn
er in eine für
Feingießverfahren
oder ähnliche
Vorgänge
verwendete Maskenform eingebracht wird. Die positiven (d.h. über die
Oberfläche erhabenen)
Strukturen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
auf dem Kern aufgetragen worden sind, erzeugen die gewünschten
Vertiefungen innerhalb der inneren Bereiche der Komponente. 1 beschreibt diesen
Aspekt der Erfindung in einfacher Form. Ein Keramikmaterial ist
in Gestalt einer Reihe von positiven, erhabenen Formen 12 auf
die Oberfläche 14 eines
Keramikkerns 16 aufgetragen worden. In der Zeichnung sind
Kegelstumpfformen dargestellt. Nachdem das Keramikamterial aufgetragen
worden ist, wird es wie unten beschrieben wärmebehandelt, um das Material
zu sintern und es sicher mit der Kernoberfläche 14 zu verbinden.
-
Die
rechte Seite von 1 stellt ein Metallgussteil 18 dar,
das sich aus der Verwendung des Kerns 16 in dem Feingießverfahren
ergibt. Die Entfernung des Kerns aus dem Gussteil führt zu den Konkavitäten 20.
Diese Konkavitäten
(„Vertiefungen" in diesem Beispiel)
geben in umgekehrter Form präzise
das Muster der erhabenen Strukturen 12 wieder.
-
Das
Keramikmaterial kann als erhabene Strukturen in einer breiten Vielfalt
von Formen und Größen in Abhängigkeit
von den gewünschten
Konkavitäten
aufgetragen werden, die zu diesen Formen komplementär sind.
Nicht beschränkende
Beispiele für
die erhabenen Formen enthalten: Rauten, Kegelstümpfe, Halbkugeln, Halbkugelabschnitte,
Rundstifte und Kombinationen davon. Im Falle von Schaufelblättern kann
es manchmal wünschenswert
sein, einige oder alle der Strukturen in der Form von einer Art
verlängertem
Hexaeder aufzutragen. Eine solche erhabene Struktur würde zur
Bildung einer Nut oder eines Kanals mit einer im Wesentlichen flachen, rechtwinkligen
Bodenfläche
dienen. Als ein weiteres Beispiel könnte ein halbkugelförmiger Abschnitt
einer verlängerten,
halbzylindrischen Form (z.B. eines "Quonset Hut") ähneln,
die schließlich
eine Nut mit einer abgerundeten Bodenfläche bilden würde.
-
Wie
oben erwähnt
wird ein Direktschreibverfahren angewandt, um das keramische Material,
das die erhabenen Strukturen bildet, auf die Oberfläche des
Kerns aufzutragen.
-
Direktschreibverfahren
sind in der Fachwelt bekannt und in vielen Bezugsquellen beschrieben. Beispiele
sind das US-Patent
Nr. 6,660,680 (Hampden-Smith), das durch Bezugnahme hierin einbezogen
wird. Ein unterweisender Text ist ebenfalls erhältlich: „Direct-Write Technologies
for Rapid Prototyping Applications", herausgegeben von A. Pique und D.
B. Chrisey, Academic Press, 2002.
-
Ein "Direktschreib"-Verfahren ist, wenn
der Ausdruck hierin verwendet wird, ein Verfahren, bei dem eine
Flüssigkeit,
eine flüssige
Suspension oder eine Paste (höhere
Materialauftragung) auf eine Oberfläche durch Ausstoßen des
Materials durch eine Öffnung
zu der Oberfläche
hin aufgetragen wird, wobei ein geeignetes Direktschreib-Werkzeug verwendet
wird. Gewöhnlich
hat das Werkzeug selbst keinen wesentlichen Kontakt mit der Oberfläche. Das Direktschreib-Werkzeug ist vorzugsweise über ein x-y-Gitter
relativ zu der gedruckten Oberfläche
steuerbar (d.h. entweder das Substrat oder die Vorrichtung oder
beide können
sich bewegen).
-
Allgemein
können
die Auftragematerialien für
Direktschreibverfahren eine breite Vielfalt von Metallen, Keramiken
oder Polymerpulvern enthalten. Im vorliegenden Beispiel ist das
aufzutragende Material ein Keramikpulver, das gewöhnlich dem
den Kern bildenden Material ähnlich
oder mit diesem identisch ist. (Diese Materialien wurden oben näher beschrieben.)
Das Pulver ist gleichmäßig in einem
Lösungsmittel
verteilt, wodurch es einen Slurry bildet (der in der Fachsprache
der Direktschreibverfahren häufig als "Ink" oder "Tinte" bezeichnet wird).
Verschiedene Zusätze
können
auch vorhanden sein. Z.B. können unterschiedliche
Arten von grenzflächenaktiven
Stoffen oder Tensiden hinzugefügt
werden, um dem Slurry geeignete Fließeigenschaften zu geben. Darüber hinaus
werden häufig
auch Bindemittel, wie z.B. Stärke
oder Zellulose verwendet, um die Unversehrtheit des aufgetragenen
Materials vor einer anschließenden
Wärmebehandlung
sicherzustellen. Der Slurry kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen
Faktoren einen Bereich von Viskositäten, z.B. denjenigen von Wasser
bis Teer, aufweisen. Diese Faktoren enthalten die Art des verwendeten
Direktschreibverfahrens und die Arten der zu bildenden Strukturen,
z.B. ihre Größe, Form
und die geforderte Unversehrtheit. Der Slurry oder die Tinte wird
in einem automatisierten Verfahren direkt auf jede Art von Substrat
aufgetragen. Gewöhnlich
wird eine CAD/CAM-Schnittstelle zum Programmieren eines gewünschten
Musters für die
Auftragung verwendet.
-
Zahlreiche
der allgemeinen Details im Hinblick auf die Slurrybildung sind in
der Fachwelt bekannt und brauchen hier nicht ausführlich beschrieben
zu werden. Bezug wird auf verschiedene Quellen zur Keramikverarbeitung
genommen, wie z.B. "Kirk-Othmer
Encyclopedia of Chemical Technology", 4. Ausgabe, Band 5, Seiten 610-613
und die US-Patenten Nr. 6,613,445 und 5,985,368 (beide von Sengeeta
und anderen und durch Bezugnahme hierin einbezogen). Darüber hinaus
beschreibt der oben erwähnte
Text über
das Direktschreiben (Pique und Chrisey) zahlreiche der wünschenswerten
Eigenschaften von Direktschreibtinten- und Pastenbildungen.
-
Kurz
gesagt ist der Slurry vorzugsweise gut dispergiert und frei von
Luftblasen und Schaumbildung. Er weist typischerweise gute rheologische
Eigenschaften auf, die in Übereinstimmung
mit den Anforderungen an das jeweils zu verwendende Direktschreibverfahren
festgelegt worden sind. (Z.B. wird häufig ein keramischer Slurry
mit der Konsistenz von Zahnpasta hergestellt, wenn, wie unten beschrieben, verschiedene
Pen-Techniken verwendet werden.) Vorzugsweise sollte die Sedimentationsgeschwindigkeit
der festen Partikel in dem Slurry so niedrig wie möglich sein.
Der Slurry sollte auch chemisch stabil sein. Darüber hinaus sollte das aufgetragene
keramische Material, wenn es trocken ist, seine Form beibehalten
und eine ausreichende Festigkeit für die folgenden Schritte, z.B.
die Fertigbearbeitung und Handhabung vor dem Brennen, besitzen.
-
Eine
breite Vielfalt von Zusatzstoffen oder Additiven kann in dem Slurry
vorhanden sein, um die notwendigen Eigenschaften herzustellen. Die
nicht beschränkenden
Beispiele (zusätzlich
zu den oben genannten Bindemitteln und grenzflächenaktiven Stoffen) umfassen:
Verdickungsmittel, Dispergatoren, Entflockungs- oder Verflüssigungsmittel,
Schwebemittel, Plastiziermittel, Weichmacher, Schmiermittel, grenzflächenaktive
Stoffe und Antischaummittel. Fachleute werden ohne übermäßigen experimentellen
Aufwand in der Lage sein, die am besten geeignete Menge jedes verwendeten
Zusatzstoffes auszuwählen.
Der Slurry kann durch ein beliebiges konventionelles Mischverfahren
hergestellt werden. Die nicht beschränkenden Beispiele enthalten
die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsmixern, Bandmixern, rotierenden
Kanistern und Schermixern, wie z.B. einer Mischwalze.
-
Wie
zuvor erwähnt,
sind die Direktschreibverfahren, die für diese Erfindung verwendet
werden können,
in der Fachwelt bekannt. Z.B. sind die oben erwähnten thermischen Spritzverfahren
von konventionellen Verfahren abgeleitet, wie es in dem Text von Pique
und Chrisey (z.B. Seiten 265 bis 293) beschrieben ist. Nicht beschränkende Beispiele
enthalten Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- oder HVOF (High Velocity
Oxyfuel)-Verfahren und Plasmaverfahren, wie z.B. das Vakuumplasmaspritzen
(VPS). HVOF ist ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess, bei dem
das Pulver in den freien Flüssigkeitsstrahl
einer Sprühpistole
bei sehr hohen Geschwindigkeiten injiziert wird. Fachleute sind
mit verschiedenen Einzelheiten des HVOF, wie z.B. der Auswahl der
Primärgase,
Sekundärgase
(falls verwendet) und Kühlgase,
Gasstromgeschwindigkeiten, Leistungsniveaus, Beschichtungspartikelgröße und dergleichen vertraut.
-
Bei
einem typischen Plasmaverfahren wird ein generischer thermischer
DC (Gleichstrom)-Plasmabrenner verwendet, der einen stabilen elektrischen
Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer ringförmigen,
wassergekühlten
Kupferanode erzeugt. Ein Plasmagas (oftmals Argon oder ein anderes
Inertgas) wird an der Rückseite
des Inneren der Sprühpistole
eingeleitet. Das Gas dreht sich in einen Strudel oder Wirbel und
tritt dann aus der Vorderseite der Anodendüse aus. Der elektrische Lichtbogen
von der Kathode zu der Anode schließt den elektrischen Stromkreis,
wobei er eine austretende Plasmaflamme bildet.
-
Wie
die mit der Plasmaspritztechnologie Vertrauten verstehen, können die
Plasmatemperaturen sehr hoch sein, z.B. 15000 K bei einem mit 40
kW betriebenen, konventionellen DC-Brenner. Das auf das Substrat
aufzutragende Keramikmaterial wird in Pulverform zugeführt. Das
Pulver wird in die Plasmaflamme eingeleitet. Die Pulverpartikel
werden in der Flamme auf einem Hochgeschwindigkeitspfad zu dem Substrat
beschleunigt und geschmolzen, wo sie auftreffen und einer schnelle
Verfestigung durchlaufen. Fachleute sind mit Abwandlungen in dem
allgemeinen Plasmaspritzverfahren und mit Vorgehensweisen zur Anpassung
des Verfahrens an eine Vielzahl von Auftragematerialien vertraut.
In dem vorliegenden Beispiel werden die Plasmaverfahren und andere
thermische Spritzverfahren abgewandelt, um eine Computerschnittstelle
zu schaffen. Verfahren dieser Art sind z.B. in dem US-Patent Nr.
6,576,861 allgemein beschrieben, das durch die Bezugnahme hierin
einbezogen wird.
-
Ein
anderes geeignetes Direktschreibeverfahren ist die chemische Gasabscheidung
durch Laser oder LCVD (Laser Chemical Vapor Deposition), die auch
in dem Text von Pique und Chrisey beschrieben ist. LCVD ist ein
thermisches Verfahren für Filmwachstum.
Kurz gesagt wird ein Laser als ein Aktivator für einen Vorläufer der
Keramik verwendet, der photolysiert, pyrolysiert oder schwingungs-/rotationserregt wird.
Die Vorgehensweise kann zur Bildung komplexer Strukturen auf dem
Substrat durch Hinzufügen
von Masse verwendet werden. Die Materialauftragung kann wie bei
anderen Direktschreibverfahren unter einer Computer-Bewegungssteuerung durchgeführt werden.
Die US-Patente Nr. 5,154,945 und 5,060,116 erörtern auch verschiedene Aspekte der
LCVD und werden durch die Bezugnahme hierin einbezogen.
-
Ein
weiteres, sehr verbreitetes Direktschreibverfahren ist auf Tintenstrahltechniken
gestützt.
Diese Vorgehensweisen sind in dem Text von Pique und Chrisey (z.B.
Kapitel 7) und in zahlreichen weiteren Quellen, z.B. dem „Kirk-Othmer
Encyclopedia of Chemical Technologies", 4. Ausgabe (1996), Band 20, Seiten
112-119, ausführlich
beschrieben. Zahlreiche Tintenstrahlsysteme, z.B. Continuous Mode-Systeme
und Demand Mode (z.B. Impuls)-Systeme können verwendet werden. Innerhalb
der letzten Kategorie gibt es auch verschiedene Typen von Impulssystemen,
z.B. piezoelektrische Systeme und thermische Impulssysteme. Die
elektronischen Steuerungsmechanismen für Tintenstrahlsysteme sind
in der Fachwelt auch gut bekannt. Verschiedene Computersteuerungssysteme
können
z.B. unter Verwendung einer CAD/CAM-Schnittstelle, in der das gewünschte Auftragungsmuster
programmiert ist, verwendet werden.
-
Fachleute
sind mit den Anforderungen an die Tintenzusammensetzungen vertraut,
die üblicherweise
wässrig
oder lösungsmittelbasiert
sein können. Zusätzlich zu
einigen der oben genannten Zusatzstoffe können Tintenstrahlzusammensetzungen
auch andere Inhaltsstoffe enthalten, die in gewissem Maße für dieses
Auftrageverfahren speziell sind. Z.B. können Feuchthaltemittel und
ausgewählte
Hilfslösungsmittel
verwendet werden, um ein Austrocknen der Tinte in den Düsen zu verhindern.
Die Zusammensetzung der gemäß dieser
Offenbarung verwendeten keramischen Slurries kann einfach darauf
abgestimmt werden, mit der Tintenstrahlauftragung kompatibel zu
sein.
-
Noch
ein weiteres Direktschreibverfahren, das für diese Erfindung verwendet
werden kann, ist das Laser-Guided Direct Writing (LGDW). Bei einem typischen
Verfahren dieses Typs wird ein Strom von aufzutragenden Partikeln
erzeugt, wie es in dem Text von Pique und Chrisey (z.B. Seiten 10
und 646-648) beschrieben ist. Die Partikel werden, durch einen Laserstrahl
gezwungen, auf einen ausgewählten
Bereich des Substrates gelenkt. Die Partikel entstehen oft als Suspensionen,
z.B eine Suspension in Wasser. In einigen Beispielen wird eine Ultraschallzerstäubung verwendet,
um die Partikel zum Kontakt mit dem Laserstrahl in der Atmosphäre zu verteilen.
-
Laser
Particle Guidance (LPG)-Systeme und damit zusammenhängende Einzelheiten
sind auch in den US-Patenten Nr. 6,636,676 und 6,268,584 beschrieben,
die durch Bezugnahme hierin einbezogen sind. wie in dem letzten
Patent beschrieben ist, enthalten die Laser Particle Guidance-Systeme
typischerweise verschiedene Positionierungsmechanismen, die computerbetrieben
sind, um das Muster der Auftragung zu lenken. Einige der LGDW-Systeme sind
von der Optomec Design Company, Albuquerque, NM, kommerziell erhältlich.
-
Das "MAPLE"-Verfahren ist ein
weiteres Beispiel für
ein Direktschreibverfahren, das für die vorliegende Erfindung
geeignet ist. Die Abkürzung
steht für "Matix Assisted Pulsed
Laser Evaporation".
Die MAPLE-Technik ist in dem Text von Pique und Chrisey (z.B. auf
den Seiten 138-139, 521 ff.) in beachtlicher Genauigkeit beschrieben.
Die Vorgehensweise ist auch in den US-Patenten Nr. 6,660,343 und 6,025,036
beschrieben, die durch Bezugnahme beide hierin einbezogen werden.
-
Kurz
gesagt verwendet MAPLE einen fokussierten, ultravioletten Laserimpuls,
um Material von einer Beschichtung auf einem Träger auf ein Substrat zu übertragen.
Bei einem Typ von MAPLE-Systemen stößt der Laser das zu übertragende
Material von der Rückseite
an einer Träger-Material-Grenzfläche durch
den Träger
hindurch (der gewöhnlich
durchsichtig ist). Das Material ist zum Absorbieren der Laserenergie
ausgelegt, was eine lokale Verdampfung an der Grenzfläche hervorruft.
Diskrete "Pakete" des aufzutragenden
Materials werden folglich gemäß einem
computergesteuerten Muster nach vorne zu dem Substrat hin getrieben.
Während
der Träger oder
das Substrat oder beide bewegt werden, kann durch Verwendung einer
Abfolge von Laserimpulsen ein gewünschtes Muster direkt geschrieben
werden.
-
Fachleute
werden in der Lage sein, die charakteristischen Größen (z.B.
Partikelgröße und Rheologie)
der hierin verwendeten keramischen Zusammensetzung so einzustellen,
dass sie mit dem MAPLE-Verfahren vereinbar ist. Zahlreiche weitere
Verfahrensparameter können
von denjenigen, die mit MAPLE vertraut sind, ebenfalls eingestellt
werden. Beispiele für
diese Parameter umfassen die Einfallsstrahlenergie, die Impulslaserfrequenz
und dergleichen.
-
Pen-Dispensing-Systeme
stellen eine weitere Klasse von Direktschreibtechniken dar, und
sie werden für
die vorliegende Erfindung oftmals bevorzugt. Die Systeme verwenden oft
automatisierte Spritzen und werden manchmal allgemein als "Mikropen Printing"-Verfahren bezeichnet.
Der Text von Pique und Chrisey, auf den Bezug genommen worden ist,
liefert eine allgemeine Beschreibung dieser Systeme (z.B. in Kapitel
8); sie werden auch in dem oben genannten Patent von Hampden-Smith
erwähnt.
Einige der oben genannten Verfahrensfaktoren sind auch hier relevant,
wie z.B. die Rheologie der Druckpaste oder -tinte sowie ihre Benetzungs- und
Adhäsionseigenschaften.
Kommerzielle Pen-Dispensing-Systeme sind aus unterschiedlichen Quellen
erhältlich.
Z.B. ist das MircropenTM-Werkzeug von Ohmkraft,
Inc. aus Honeoye Falls, NY, erhältlich.
Das DotlinerTM-Dispensesystem oder -Ausgabesystem
ist von Manncorp, Huntingdon Valley, PA, erhältlich.
-
Ein
beispielhaftes Auftrageverfahren vom Pen-Typ ist in einer anhängigen Anmeldung
von R. Bunker und anderen, S.N. 10/611,745, eingereicht am 30. Juni
2003 (Docket No. 121278-2), beschrieben worden, die durch die Bezugnahme
hierin einbezogen wird. Wie hier in 2 gezeigt
ist, wird eine Mischung 50 aus dem Auftragematerial durch
eine Düse,
Stift oder "Pen" 52 auf
die Oberfläche 54 des Kerns/Werkstücks 56 aufgetragen.
Die Mischung 50 ist gewöhnlich
ein keramischer Slurry, der ein in einem flüssigen Medium 58 dispergiertes
Keramikpulver 57 enthält.
(Wie oben erwähnt
ist die Viskosität des
Slurrys manchmal sehr hoch.) Die Mischung 50 wird mit einer
kontrollierten Geschwindigkeit durch die Düse 52 gepresst, um
eine gewünschte
Form und Größe für eine erhabene
Struktur 60 zu erreichen. Ein oder mehrere Durchläufe mit
dem Pen können auf
der Oberfläche
durchgeführt
werden. Die Größe der Öffnung der
Düse wird
(zusammen mit weiteren, unten erwähnten Faktoren) ausgewählt, um
ein gewünschtes
Maß für jeden
Durchlauf zu er reichen.
-
Während der
Auftragung des Materials wird die Düse 52 relativ zu der
Kernoberfläche 54 verschoben,
um eine Struktur 60 mit einer vorbestimmten Form zu bilden.
(Wie oben erwähnt
wird die vorbestimmte Form in einem Computer, z.B. als eine CAD/CAM-Datei,
erzeugt und gespeichert.) Die "Verschiebung" wird mit Computersteuerung
durch eine Bewegung der Düse,
der Kernoberfläche
oder beider ausgeführt.
Eine beispielhafte Steuerung ist allgemein als Element 62 dargestellt.
Die Höhe
und die Form der auf den Kern aufgetragenen Strukturen werden zum
Teil durch die Fließgeschwindigkeit
des ausgegebenen Materialstroms und die relative Bewegungsgeschwindigkeit
zwischen der Penspitze und dem Werkstück während des Schreibvorgangs bestimmt.
-
In
vielen Beispielen kann, teilweise in Folge des komplexen inneren
Bereiches, der in der Metallkomponente ausgebildet wird, eine erhebliche
Krümmung
der Oberfläche
des Kerns vorliegen. Die oben beschriebenen Penverfahren können das
gewünschte
Keramikmaterial effizient auf den meisten Bereichen dieser gekrümmten Oberflächen sowie
beliebiger unregelmäßiger Oberflächen auftragen.
Manchmal ist es jedoch wünschenswert,
andere Arten von Pensystemen zu verwenden, um das gewünschte Material
auf viele zusätzliche
Oberflächenbereiche des
Kerns effizient aufzutragen.
-
Ein
Pensystem zur effizienten Auftragung von Auftragegematerial auf
einen Kern mit einem komplexen 3D-Aufbau und variierender Krümmung ist
in einer anhängigen
Anmeldung für
S. Rutkowski und andere, S.N. 10/622,063, eingereicht am 17. Juli 2003
(Docket No. 126762) beschrieben, die durch Bezugnahme hierin einbezogen
wird. Das System, das gewöhn lich
als maschineller Pen oder "Roboter-Pen" bezeichnet wird,
ist computergesteuert. Es enthält
einen Mehrachsenträger
zum Befestigen eines Werkstücks
(d.h. des Kerns in diesem Beispiel) und eine mit diesem zusammenwirkende
Hebevorrichtung zur Durchführung
einer vertikalen Bewegung des Werkstücks. Gewöhnlich ist die Penspitze an
der Hebevorrichtung drehbar angebracht. Eine Liefervorrichtung zur
Bereitstellung des Auftragematerials ist in Flussverbindung mit
der Penspitze verbunden. Die Liefervorrichtung stößt einen
Materialstrom zu der Oberfläche
des Werkstücks
hin aus, wenn sich das Werkstück
relativ zu dem Pen bewegt.
-
3 liefert
eine allgemeine Darstellung eines Roboter-Pensystems 100,
das zum Liefern irgendeines geeigneten Materials 102 in
einem Strom auf die Oberfläche
eines beliebigen geeigneten Werkstücks 104, d.h. des
Keramikkerns, eingerichtet ist. Der Kern kann einen einfachen, zweidimensionalen
(2D) Aufbau aufweisen, wie z.B. eine flache Platte, noch weiter
verbreitet wird er jedoch einen komplexen 3D-Aufbau mit wechselnder
Krümmung
oder Änderungen
in der Kontur entlang seiner drei Achsen aufweisen. Der Kern kann
auch eine Vielfalt von internen Bereichen, z.B. Kavitäten, Hohlräumen, Verzahnungen
und dergleichen enthalten. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird der
Kern in einer relativ einfachen Form dargestellt.
-
Das
in 3 dargestellte Pensystem ist eine Anordnung von
in erster Linie konventionellen Komponenten, die in einer gemeinsamen
Vorrichtung oder einem gemeinsamen System in geeigneter Weise zum
Präzisionsschreiben
auf verschiedene Oberflächen
des Kerns modifiziert worden sind. (Wie in S.N. 10/622,063 beschrieben
ist, kann ein solches System durch Abändern einer kommerziell erhältlichen
Fräs maschine,
z.B. einer komplexen CNC (Computer Numerically Controlled)-Mehrachsenmaschine,
erhalten werden.) Das Pensystem aus 3 enthält eine
Dreiachsen-Werkstückträger oder
Workpiece Stage 108 zur Befestigung des Kerns/Werkstücks 104 für eine Zweiachsen
(X,Y)-Präzisionstranslation
und eine Präzisionsrotation
(A) relativ dazu. Diese Systemmaschine enthält auch eine konventionelle
Hebevorrichtung 120, auf der eine konventionelle Drehspindel 122 montiert
ist. Die Hebevorrichtung führt
eine vertikale Achse (Z) der Translation relativ zu dem Werkstückträger 108 mit
den drei Achsen der Translation (X, Y, Z) und einer rotatorischen
Achse (A) ein. Diese Art von Mehrachsenfähigkeit wird typischerweise
zur Durchführung
von Fräsvorgängen an
vielfältigen
3D-Werkstücken
verwendet. In dem Roboter-Pensystem
wird die Drehspindel jedoch entfernt und durch eine drehende Penspitze/Düse 124 ersetzt,
die drehbar an der Hebevorrichtung 120 befestigt sein kann.
-
Eine
konventionelle Liefervorrichtung 126 (oder eine ähnlich funktionierende
Vorrichtung) ist in geeigneter Weise in Flussverbindung mit der
Penspitze 124 verbunden, um Material 102 (Flüssigkeit, Paste
oder Slurry) auf die Oberfläche 127 des
Werkstücks
auszustoßen.
(Das Material 102 kann in Form einer Flüssigkeit, Paste oder Slurry
vorliegen.) Wie zuvor erwähnt
wird die Auftragung des Materials 102 in einem gewünschten
Muster unter der relativen Bewegung zwischen der Penspitze und dem
befestigten Werkstück
ausgeführt.
-
Wie
in 3 gezeigt, kann der Werkstückträger eine beliebige konventionelle
Gestalt aufweisen. Wie dargestellt, kann der Träger einen ersten Tisch 128 zum
Ver schieben des Werkstücks
entlang einer ersten linearen Achse X enthalten. Ein zweiter Tisch 130 kann
an der Unterseite des ersten Tischs 128 befestigt sein,
um den ersten Tisch und das Werkstück 108 entlang einer
zweiten linearen Achse Y zu verschieben. Die zweite Achse Y ist
orthogonal zu der ersten Achse X zur Zweiebenenbefestigung und zur Verschiebung
des Werkstücks
auf eine konventionelle Art. Das Pensystem enthält weiterhin eine angetriebene
Präzisionsdrehspindel 132.
Diese Spindel kann in geeigneter Weise an dem ersten Tisch 128 befestigt
sein, um eine Präzisionsdrehung
des Werkstücks
um eine erste Rotationsachse A zu ermöglichen.
-
Die
Penspitze 124 kann in jeder geeigneten Weise zur Verschiebung
entlang einer dritten linearen Achse Z an der vertikalen Hebevorrichtung 120 angebracht
sein. Die Achse Z ist zu den Achsen X und Y orthogonal. Die Penspitze
kann an der Hebevorrichtung auch zur Drehung um eine zweite Rotationsachse
B angebracht sein. Auf diese Weise ist eine Bewegung des Stiftes
um volle 360° möglich, um
die meisten äußeren und
inneren Bereiche des Werkstückes 104 zu
erreichen. Der Träger 108 und die
Hebevorrichtung 120 können
in einem gemeinsamen Tragrahmen 134, was eine relative
Bewegung zwischen der Penspitze und dem Werkstück zulässt, verbunden sein.
-
Das
Roboter-Pensystem aus 3 enthält auch einen konventionellen,
digital programmierbaren Computer oder Controller 136.
Wie oben erwähnt ist
der Computer 136 konventionell mit Software eingerichtet,
um alle Bewegungsachsen der Maschine zu steuern. Dies umfasst die
relative Bewegung der Penspitze 124 und des Werkstücks 104,
wenn der Strom des Auftragematerials 102 von der Penspitze abgegeben wird.
Speziell wirkt der Computer/Controller 136 bei der Steuerung
und Koordination der relativen Bewegungen entlang der drei linearen
Achsen X, Y, Z und der beiden Drehachsen A, B. Die Drehachsen erlauben
eine genaue Ausrichtung und Orientierung der Penspitze auf der variierenden 3D-Oberfläche des
Werkstücks,
auf die der Strom des Auftragematerials in dem gewünschten
Muster geschrieben wird. Der Computer/Controller 136 kann in
einer geeigneten Software mit der dreidimensionalen Geometrie oder
Anordnung 138 des Werkstücks und einem zugehörigen, vorbestimmten
Pfad oder Muster für
die Penspitze über
das Werkstück
hinweg eingerichtet sein. Weitere Details im Hinblick auf die Computersteuerung
des Pens und des Auftragemusters sind in der Anmeldung S.N. 10/622,063
von Rutkowski u.a. beschrieben.
-
Z.B.
wird die Penspitze gewöhnlich
nahe bei der Werkstückoberfläche, aber
diese nicht berührend,
gehalten, wobei ein geeigneter Spalt zwischen ihnen gelassen wird.
In einem weiteren Beispiel ist eine konventionelle CCD (Ladungskoppelndes
Element)-Kamera 146 optional zur visuellen Beobachtung
des Spaltes zwischen der Penspitze und dem Werkstück 104 während des
Betriebes angebracht und mit einem Anzeigemonitor 48 verbunden,
der es dem Bediener der Maschine ermöglicht, die Penspitze und den
Spalt zur Verwendung beim Einstellen der Maschine und Steuern ihres
Betriebs zu betrachten. Gewöhnlich
ist die Penspitze im Wesentlichen rechtwinklig zu der Werkstückoberfläche ausgerichtet.
-
Details
im Hinblick auf die Liefervorrichtung 126 und ihren Betrieb
werden auch in der Patentanmeldung von Rutkowski u.a. offenbart.
Die Liefervorrichtung kann eine beliebige, konventionelle Anordnung
aufweisen und enthält
gewöhnlich
eine Spritze 140, die einen geeigneten Vorratsbehälter für die anfängliche
Speicherung des gewünschten Schreibmaterials 102 enthält. Die
Spritze ist in Flussverbindung, z.B. durch eine flexible Leitung,
mit der Penspitze 124 verbunden. Die Liefervorrichtung
kann auch Mittel 142 zur Präzisionsförderung der Spritze enthalten, um über die
Leitung das Auftragematerial zum Ausstoß durch die Penspitze 124 zu
liefern. Die Liefervorrichtung kann wahlweise durch ihren eigenen
digitalen Prozessor oder Controller, z.B. einen Personal Computer 144,
gesteuert werden. Wie in der Anmeldung von Rutkowski u.a. beschrieben,
kann eine präzise
Steuerung der Liefervorrichtung und des gelieferten Materialstrahls
helfen, eine genaue Höhe
und Breite der Bereiche des aufgetragenen Materials sicherzustellen.
-
Weitere
Details im Hinblick auf das Roboter-Pensystem und seine optionalen
Merkmale sind auch in der S.N. 10/622,063 beschrieben und erfordern
hier keine ausführliche
Erörterung.
Z.B. kann eine konventionelle Steuerung mit einem offenen Regelkreis
(Open Loop) oder ein Rückkoppelungsmechanismus
mit einem geschlossenen Regelkreis (Closed Loop) verwendet werden,
um einen spezifischen Spalt zwischen der Penspitze und der Werkstückoberfläche aufrechtzuerhalten.
Die Rückkoppelungssteuerung
kann mit Hilfe von verschiedenen Messeinrichtungen, wie z.B. laser-,
schall- und kameragesteuerten Vorrichtungen realisiert werden. Darüber hinaus
kann die Penspitze so kurz oder so lang sein, wie es für das zu
bearbeitende Werkstück erforderlich
ist. Mechanismen zum Austauschen der Penspitze gegen Spitzen von
anderer Gestalt und Länge
werden von Rutkowski u.a. ebenfalls beschrieben. Die Penspitze kann
zum Schreiben auf einer inneren Oberflächen eines hohlen Werkstücks, d.h.
eines Kerns mit internen Bereichen, wie zuvor beschrieben angeordnet
werden.
-
Nachdem
das Auftragematerial auf die Oberfläche des Kerns aufgebracht worden
ist, wird eine Wärmebehandlung
durchgeführt,
um sämtliche
flüchtigen
Substanzen (z.B. Bindemittel, Lösungsmittel und
dergleichen) zu entfernen und das Material zu verfestigen und zu
verstärken.
Das aufgetragene Material kann für
sich allein oder mit dem Kern wärmebehandelt
werden. Beispielhafte Wärmebehandlungen
enthalten fokussierte Energiequellen, wie z.B. Plasma, Laser, Elektronenstrahlerhitzung
oder Erhitzung mit einer anderen lokalen Quelle. Alternativ kann
die Wärmebehandlung
in einem Ofen ausgeführt
werden, wenn die Temperatur niedrig genug ist, um Schäden an dem
Kern zu vermeiden. Die Wärmebehandlung
kann bei einer im Voraus eingestellten „Heiz"-Temperatur
oder gemäß einem
beliebigen gestaffelten Plan ausgeführt werden. Wenn das Material
in mehr als einer Schicht aufgetragen worden ist, können darüber hinaus
zwischen den jeweiligen Auftragevorgängen Wärmebehandlungen durchgeführt werden.
-
Die
Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung
wird von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z.B. der Art des
aufgetragenen Materials und seinen Abmessungen sowie der Zusammensetzung
des Substrats. Im Fall der Auftragung von typischen keramischen
Materialien wie den oben beschriebenen (z.B. aluminiumoxid- oder
aluminiumoxid-/siliziumdioxidbasierten) ist der Wärmebehandlungsplan
ein solcher, der zum Ausbrennen der flüchtigen Komponenten ausreichend
ist, während
auch die Verfestigung vorangetrieben wird. Das letzte Phänomen ist
Fachleuten bekannt und beinhaltet gewöhnlich, die Körner des
keramischen Pulvers oder Partikel zum Durchlaufen eines Sintervorgangs
zwischen den Partikeln zu veranlassen, der die Körner oder Partikel miteinander
und mit dem Substratmaterial verbindet. Die Heiztemperatur für keramisches Material
liegt typischerweise im Bereich von etwa 1500°C bis etwa 1550°C. Dieser
Bereich kann jedoch erheblich variieren und auch Verfahrensabschnitte mit
niedrigerer Temperatur enthalten, um zunächst das flüchtige Material zu entfernen.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
könnte
das Auftragematerial für
die erhabenen Strukturen auf den Kern geschrieben werden, während der
Kern noch in seinem ungebrannten oder "grünen" Zustand ist. Der
Kern mit den auf ihn aufgetragenen erhabenen Strukturen könnte danach
in der üblichen
Weise wärmebehandelt
werden. Darüber
hinaus könnten die
Strukturen auf verschiedene Kerne oder Kernabschnitte geschrieben
werden, die sich in dem Grünzustand
befinden und die dann vor der Wärmebehandlung
(durch konventionelle Vorgehensweisen) aneinander befestigt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform findet die Wärmebehandlung
während
zumindest eines Teils des Auftragevorgangs statt. Eine solche Wärmebehandlung
kann z.B. durch einen Laser oder eine feine Plasmaquelle, die der
Düse 52 folgt,
vorgenommen werden und entweder an einem Grünkern oder einem zuvor wärmebehandelten
Kern durchgeführt
werden.
-
Wie
zuvor beschrieben, kann der Kern in irgendeinem konventionellen
Gießverfahren
zur Herstellung einer Metallkomponente verwendet werden, wobei das
Feingießen
ein bevorzugtes Beispiel ist. Die Verwendung des Kerns selbst erzeugt
viele der inneren Bereiche der Komponente. Die dem Kern durch diese
Erfindung hinzugefügten,
erhabenen Strukturen erzeugen schließlich Konkavitäten, die
in diese inneren Bereiche eingebaut sind. (Die Vorgehensweisen zum
Entfernen des Kerns nach dem Gießvorgang sind in der Fachwelt
gut bekannt und beinhalten gewöhnlich
Auslaugverfahren mit geeigneten Lösungsmitteln, wie in einigen
der oben genannten Patentschriften beschrieben ist.)
-
4 zeigt
eine beispielhafte Darstellung der Einbeziehung von Konkavitäten in eine
Turbinenmaschinenkomponente. Die Komponente ist typisch für die durch
ein Feingießverfahren
unter Verwendung von keramischen Kernen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
abgewandelt worden sind, hergestellte Komponente. Ein Querschnitt
eines Abschnittes aus einem hohlen Schaufelblatt 150 ist
in der Zeichnung dargestellt. Die gegenüberliegenden Seitenwände 152 und 154 bilden
ein Kühlungsnetz 155 zwischen
sich. Die Seitenwand 152 stellt eine Wand mit einer höheren Temperatur
oder eine "heiße" Wand dar. Die heiße Wand
ist typischerweise Verbrennungsgastemperaturen von wenigstens etwa 1000°C und häufiger von
wenigstens etwa 1400°C ausgesetzt.
In dieser Darstellung ist die Seitenwand 152 mit einer
thermischen Schutzbeschichtung 156 (TBC) bedeckt. Die Seitenwand 154 (die
innere Wand des Schaufelblattes) wird gewöhnlich als "kühle
Oberfläche" oder "kühlere Oberfläche" bezeichnet.
-
Bei
einem konventionellen Schaufelblatt dieses Typs sind die Seitenwände oft
an dem axial stromaufwärts
gelegenen Ende entlang einer vorderen Kante und an einem gegenüberliegenden,
axial stromabwärts
gelegenen Ende entlang einer hinteren Kante (hier nicht gezeigt)
miteinander verbunden. Die Kühlungsluft
wird auf konventionelle Art von einem Kompressor (auch nicht gezeigt)
bereitgestellt und dann durch das Kühlungsnetz 155 in
der durch den Strömungspfeil
angezeigten Richtung geleitet.
-
Eine
innere, vernetzte oder vermaschte Kühlanordnung ist in 4 vorhanden.
Wie in dem oben erwähnten
Patent von Lee (US-Patent Nr. 5,690,472, das hierin durch die Bezugnahme
einbezogen wird) werden die "Maschen" oder das Netz gewöhnlich durch
sich kreuzende Kühlkanäle oder -hohlräume gebildet.
In dem vorliegenden Fall kreuzen sich Mengen von Kühlkanälen, wodurch
voneinander mit Abstand angeordnete, intern feste Knoten 158 gebildet
werden. Wie in dem Bezugsdokument von Lee erklärt ist, führt die Maschenanordnung zu einem
turbulenteren Luftstrom zwischen den Seitenwänden des Schaufelblattes, was
die Wärmeübertragung
steigert.
-
Konkavitäten 160 sind
zwischen den Knoten 158 gemäß der vorliegenden Erfindung,
d.h. unter Verwendung des modifizierten Kerns, in einem im Voraus
gewählten
Muster gebildet worden. Während die
Konkavitäten
in 4 als Vertiefungen oder Grübchen dargestellt sind, können sie,
wie zuvor erörtert,
in praktisch beliebiger Form und Größe erzeugt werden. Die Konkavitäten können weiterhin
die Wärmeübertragungseigenschaften
in einem Maschenkühlsystem
verbessern, indem sie eine Fluidmassenbewegung entlang der Wärmeübertragungsoberflächen einleiten
und aufrecht erhalten. Darüber hinaus
kann die verbesserte Kühlung
ohne die Nachteile erreicht werden, die manchmal die Verwendung von
Turbulenzstrukturen in dieser Art von Kühlsystem begleiten.
-
5 zeigt
eine einfache Darstellung einer typischen Maschenkühlungsanordnung
in einem inneren Bereich eines Turbinenschaufelblattes, der dem
oben Beschriebenen ähnlich
ist. Das Muster von rautenförmigen
Maschenknoten 170 führt
zu Verbindungsbereichen 172. Die Konkavitäten oder
Vertiefungen 174 werden in diesen Verbindungsbereichen durch
Erzeugung eines inversen Musters von erhabenen Strukturen auf einem
Kern gebildet, der zur Bildung des inneren Bereiches während eines
Gießvorgangs
verwendet wird. Das vorliegende Verfahren erspart die Notwendigkeit
von Maskierungsschritten und anderen Oberflächenbearbeitungsschritten,
die in der Vergangenheit oft notwendig waren, um Strukturen auf
Schaufelblattoberflächen
zu schaffen. Darüber
hinaus waren die zuvor verwendeten, konventionellen Vorgehensweisen
im Allgemeinen noch nicht in der Lage, ein präzises Muster von Konkavitäten in komplizierten
Kühlkanalverläufen zu
herzustellen, wie es erreicht werden kann, indem den vorliegenden Lehren
gefolgt wird.
-
Es
sollte jedoch hervorgehoben werden, dass die gemäß dieser Erfindung gebildeten
Konkavitäten
nicht in eine Maschenkühlungsanordnung einbezogen
zu sein brauchen. Sie können
an einer breiten Vielfalt von Schaufelblattoberflächen gebildet werden,
die jeden beliebigen anderen Typ von speziellen Kühlungsmerkmalen
aufweisen können,
aber nicht müssen.
Tatsächlich
können
die Konkavitäten auf
der Oberfläche
von einer beliebigen Metallkomponente gebildet werden, die durch
einen Gießvorgang
hergestellt worden ist.
-
Beispiele:
-
Das
folgende Beispiel wird zum Zwecke der Darstellung angeführt und
darf nicht als irgendeine Art der Beschränkung des Schutzbereiches der
vorliegenden Erfindung angesehen werden.
-
Ein
MikropenTM-Vorrichtung (400 Reihen) von
Ohmcraft, Inc., Honeoye Falls, NY, wurde bei diesem Beispiel verwendet.
Die Pengröße betrug
0,25 mm (10 Mils oder Millizoll) als äußerer Durchmesser × 0,18 mm
(7 Mils) als innerer Durchmesser.
-
Ein
Bereich aus Elektronik-Aluminiumoxid wurde bei diesem Beispiel als
Werkstück/Substrat benutzt.
Seine Abmessungen waren etwa 5,1 cm × 3,5 cm (2 Zoll × 1 3/8
Zoll) mit einer Dicke von etwa 1 mm. Das Werkstück war auf einer Plattform
in der Vorrichtung angeordnet, wobei die Plattform entlang der X-
und Y-Achsen durch Computersteuerung beweglich ist. Das Werkstück wurde
durch ein Vakuum am Ort festgehalten.
-
Das
Auftragematerial war Aluminiumoxid/Magnesiumoxid (10 Gewichtsprozent
MgO auf einer Basis von Al
2O
3 und
MgO in Kombination). Es wurde aus Trockenmischpulvern der beiden
Oxide hergestellt, und danach wurde Lösungsmittel (Terpineol) bei
zusätzlichem
Mischen hinzugefügt.
(Das Lösungsmittel
enthielt eine geringe Menge Zellulosebindemittel.) Die Menge des
zugefügten
Lösungsmittels
war ausreichend, um der Mischung eine Viskosität zu verleihen, die ungefähr gleich
derjenigen von Zahnpasta ist. Die Zusammensetzung war die Folgende:
| 82,9
g | Heraeus
Terpineol |
| 4,4
g | MGO-Partikel
(35 nm) |
| 0,34
g | Glyzerin |
| 44
g | TM-DAR-Aluminiumoxid. |
-
Das
Auftragematerial wurde der Liefervorrichtung auf dem Gerät hinzugefügt, die
das Material auf Befehl zu dem Pen pumpt. Das Gerät war dazu programmiert,
gemäß einem
#46 Querschnittsmuster, d.h. einer ausgewählten Einstellung auf dem Gerät, zu schreiben.
Der Direktschreibvorgang wurde danach eingeleitet. Die Pengeschwindigkeit über der Probe
des Werkstücks
betrug etwa 1,27 mm (50 Mils) pro Sekunde. Während des Schreibens wurde
die Penspitze in einem Abstand von weniger als 254 Mikrometer (10
Mils) von der Werkstückoberfläche entfernt
und im Wesentlichen senkrecht zu dieser gehalten.
-
Das
Schreiben wurde in drei Durchgängen ausgeführt, um
die gewünschte
Dicke zu erreichen. Die durchschnittliche Lufttrocknungszeit zwischen Durchgängen betrug
etwa zwei Stunden. Die endgültige
Durchschnittshöhe
für die
aufgetragene Kreuzschraffur (die durch das Rautenmuster gegeben
ist) betrug etwa 1,52 mm (60 Mils).
-
6 zeigt
eine vergrößerte Fotografie
des Werkstücks
nach dem Abschluss des Direktschreibens. Es wird aus der Fotografie
deutlich, dass die sich kreuzenden, diagonalen Linien (d.h. die
Kreuzschraffur) präzise
auf das Substrat geschrieben worden sind. Das Substrat ist als Darstellung
der Oberfläche
eines Kerns gedacht. Nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung
war das Rautenmuster strukturell mit der Kernoberfläche vereinigt.
Der Kern kann danach in einem Maskenherstellungsverfahren verwendet
werden, um Konkavitäten
zu schaffen, die das Rautenmuster in umgekehrter Form widergeben.
-
Ein
Verfahren zur Bildung wenigstens einer Konkavität von einer ausgewählten Größe und Form auf
einer Oberfläche
eines internen Durchgangskanals einer metallischen Komponente enthält: Auftragen
eines keramikbasierten Materials (50) durch ein Direktschreibverfahren
auf einen Keramikkern, der zur Bildung des internen Durchgangskanals
während eines
Gießvorgangs
zur Bildung der metallischen Komponente geeignet ist, wobei das
keramikbasierte Material als eine erhabene Struktur aufgetragen
wird, Wärmebehandeln
des aufgetragenen, keramikbasierten Materials, Bilden der metallischen
Komponente durch einen Gießvorgang,
bei dem der keramische Kern (56) an einer als eine gewünschte Lage
für den
internen Durchgangskanal ausgewählten
Position in das Gussteil eingegossen wird und danach Entfernen des
Keramikkerns aus der metallischen Komponente, nachdem der Gießvorgang
abgeschlossen worden ist, und dadurch Bilden des internen Durchgangskanals
mit der in der Oberfläche
des Durchgangskanals enthaltenen Konkavität, wobei die Konkavität durch
die Entfernung der erhabenen Struktur des keramikbasierten Materials
gebildet wird.
-
Diese
Erfindung ist im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen
und Beispielen beschrieben worden. Vielfältige Abwandlungen, Anpassungen
und Alternativen können
einem Fachmann jedoch einfallen, ohne dass dabei von dem Geist und dem
Schutzbereich des beanspruchten erfinderischen Konzeptes abgewichen
wird. Alle oben erwähnten
Patente, Artikel und Texte werden durch die Bezugnahme hierin einbezogen.
-
- 12
- Erhabene
Struktur
- 14
- Oberfläche
- 16
- Keramikkern
- 18
- Metallgussstück
- 20
- Konkavität
- 48
- Monitor
- 50
- Mischung
- 52
- Düse
- 54
- Oberfläche
- 56
- Kern
- 57
- Keramikpulver
- 58
- Flüssiges Medium
- 60
- Erhabene
Struktur
- 100
- Pensystem
- 102
- Material
- 104
- Werkstück
- 108
- Werkstückträger
- 120
- Hebevorrichtung
- 122
- Drehspindel
- 124
- Penspitze
- 126
- Liefervorrichtung
- 127
- Oberfläche
- 128
- Erster
Tisch
- 130
- Zweiter
Tisch
- 132
- Drehspindel
- 134
- Tragrahmen
- 136
- Computer/Controller
- 138
- Werkstückgeometrie
- 140
- Spritze
- 142
- Mittel
- 144
- Personal
Computer
- 146
- CCD-Kamera
- 150
- Schaufelblatt
- 152
- Seitenwand
- 154
- Seitenwand
- 155
- Kühlungsnetz
- 156
- Schutzbeschichtung
- 158
- Knoten
- 170
- Maschenknoten
- 172
- Verbindungsbereich
- 174
- Konkavitäten