DE102011055242A1

DE102011055242A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils unter Verwendung einer flüchtigen Beschichtung

Info

Publication number: DE102011055242A1
Application number: DE102011055242A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Bin Wei; Don Mark Lipkin; Raul Basilio Rebak
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-05-10
Also published as: FR2967204A1; CN102536465B; CN102536465A; FR2967204B1; JP2012102731A; US20120114868A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100) vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen einer flüchtigen Beschichtung (30) auf einer Oberfläche (112) eines Substrats (110), wobei das Substrat (110) wenigstens einen hohlen Innenraum (114) hat. Das Verfahren beinhaltet ferner das maschinelle Bearbeiten des Substrats durch die flüchtige Beschichtung, um in die Oberfläche des Substrats eine oder mehrere Nuten (132) einzuarbeiten. Die eine oder mehreren Nut(en) haben jeweils einen Boden (134) und verlaufen wenigstens teilweise entlang der Oberfläche des Substrats verlaufen. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bilden von einem oder mehreren Zugangslöchern (140) durch den Boden einer jeweiligen der einen oder mehreren Nuten, um die jeweilige Nut mit dem jeweiligen hohlen Innenraum in Fluidkommunikation zu verbinden. Das Verfahren beinhaltet ferner das Füllen der einen oder mehreren Nuten mit einem Füller (32), das Entfernen der flüchtigen Beschichtung (30), das Aufbringen einer Beschichtung (150) auf wenigstens einem Teil der Oberfläche des Substrats und das Entfernen des Füllers aus der einen Nut bzw. den mehreren Nuten, so dass die eine oder mehreren Nut(en) und die Beschichtung zusammen eine Anzahl von Kanälen (130) zur Kühlung des Bauteils definieren.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und insbesondere Mikrokanalkühlung in diesen.
In einer Gasturbinenmaschine wird Luft in einem Verdichter verdichtet und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. In einer Hochdruckturbine (HPT), die den Verdichter antreibt, und in einer Niederdruckturbine (LPT), die einen Bläser in einer Flugzeug-Mantelstromtriebwerkanwendung antreibt oder eine externe Welle für Schiffs- und Industrieanwendungen antreibt, wird den Gasen Energie entzogen.
Der Maschinenwirkungsgrad nimmt im Verhältnis zur Temperatur der Verbrennungsgase zu. Die Verbrennungsgase erhitzen aber entlang ihres Strömungspfads verschiedene Bauteile, was wiederum deren Kühlung erforderlich macht, um eine lange Maschinenlebensdauer zu erzielen. Im typischen Fall werden die Bauteile des Heißgaspfads durch Abzapfen von Luft vom Verdichter gekühlt. Dieser Kühlprozess verringert den Motorwirkungsgrad, da die Zapfluft nicht im Verbrennungsprozess verwendet wird.
Die Technik der Kühlung von Gasturbinenmaschinen ist ausgereift und beinhaltet zahlreiche Patente für diverse Aspekte von Kühlkreisläufen und -merkmalen in den verschiedenen Bauteilen des Heißgaspfads. Zum Beispiel beinhaltet die Brennkammer radial äußere und innere Auskleidungen, die während des Betriebs gekühlt werden müssen. Turbinendüsen beinhalten hohle Leitschaufeln, die zwischen äußeren und inneren Deckbändern gelagert sind, die ebenfalls gekühlt werden müssen. Turbinenlaufschaufeln sind hohl und weisen gewöhnlich Kühlkreisläufe in ihnen auf, wobei die Schaufeln von Turbinendeckbändern umgeben sind, die ebenfalls gekühlt werden müssen. Die heißen Verbrennungsgase werden durch einen Auspuff, der ebenfalls ausgekleidet sein kann, abgelassen und angemessen gekühlt.
Bei allen diesen beispielhaften Gasturbinenmaschinenbauteilen werden gewöhnlich dünne Metallwände aus hochfesten Superlegierungsmetallen für optimierte Haltbarkeit verwendet, während sie ihren Kühlungsbedarf minimieren. Verschiedene Kühlkreisläufe und Merkmale sind spezifisch für diese einzelnen Bauteile in ihren entsprechenden Umgebungen in der Maschine hergestellt. Zum Beispiel kann in einem Heißgaspfadbauteil eine Reihe von internen Kühldurchgängen oder geschlängelten Gängen gebildet werden. Ein Kühlfluid kann den geschlängelten Gängen von einem Speicher zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch die Durchgänge strömen und dabei Substrat und Beschichtungen der Bauteile im Heißgaspfad kühlen. Diese Kühlungsstrategie führt aber gewöhnlich zu vergleichsweise niedrigen Wärmeübergangswerten und nicht einheitlichen Bauteiltemperaturprofilen.
Mikrokanalkühlung hat das Potenzial, den Kühlbedarf beträchtlich zu reduzieren, indem die Kühlung so nahe wie möglich an die Wärmezone gelegt wird, wodurch das Temperaturdelta zwischen der heißen Seite und der kalten Seite für einen bestimmten Wärmeübergangswert verringert wird. Beim Auftragen der Strukturbeschichtung über Kanälen sind die kritischsten Regionen die oberen Ränder der Kanäle. Wenn diese Ränder nicht scharf und rechtwinklig sind, können an der Grenzschicht zwischen dem Substrat und der Strukturbeschichtung Fehler ausgelöst werden, entweder als Spalt, Risseinleitung oder kleinen Hohlraum, die Fehler in die Beschichtung ausbreiten lassen, während sie aufgebracht wird.
Es wäre daher erwünscht, ein Verfahren zum Bilden von Kanälen in einem Bauteil mit als scharfe rechte Winkel ausgebildeten Kanalrändern ohne weitere Verarbeitung des Substratmetalls bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils. Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen einer flüchtigen Beschichtung auf eine Oberfläche eines Substrats, wobei das Substrat wenigstens einen hohlen Innenraum hat. Das Verfahren beinhaltet ferner das maschinelle Bearbeiten des Substrats durch die flüchtige Beschichtung, um in die Oberfläche des Substrats eine oder mehrere Nuten einzuarbeiten. Die eine oder mehreren Nuten haben jeweils einen Boden und verlaufen wenigstens teilweise entlang der Oberfläche des Substrats. Das Verfahren beinhaltet ferner das Ausbilden von einem oder mehreren Zugangslöchern durch den Boden einer jeweiligen der einen oder mehreren Nuten, um die jeweilige Nut mit dem jeweiligen hohlen Innenraum in Fluidkommunikation zu verbinden. Das Verfahren beinhaltet ferner das Füllen der einen oder mehreren Nuten mit einem Füller, Entfernen der flüchtigen Beschichtung, Aufbringen einer Beschichtung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche des Substrats und Entfernen des Füllers aus der einen Nut bzw. den mehreren Nuten, so dass die eine oder mehreren Nut(en) und die Beschichtung zusammen eine Anzahl von Kanälen zur Kühlung des Bauteils definieren.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung in Bezug auf die Begleitzeichnungen besser verständlich, in denen gleiche Zeichen durchgehend gleiche Teile darstellen. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems;
2 einen schematischen Querschnitt einer beispielhaften Schaufelblattkonfiguration mit Kühlkanälen gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung;
3–10 eine schematische Darstellung von Prozessschritten zum Bilden von Kühlkanälen in einem Substrat;
11 eine schematische perspektivische Abbildung von drei beispielhaften Kühlkanälen, die entlang der Oberfläche des Substrats verlaufen und Kühlmittel zu jeweiligen Filmkühlungslöchern leiten, und
12 eine Querschnittansicht eines der beispielhaften Kühlkanäle von 11 und eine Darstellung des Kühlmittels von einem Zugangsloch zu einem Filmkühlungsloch transportierenden Kanals.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Begriffe „erste”, „zweite” und dergleichen bezeichnen hierin keine Ordnung, Menge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr zum Unterscheiden eines Elements von einem anderen benutzt. Die Begriffe „ein” und „eine” hierin bezeichnen keine Mengenbegrenzung, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von wenigstens einem der betreffenden Gegenstände. Das in Verbindung mit einer Mengenangabe verwendete Bestimmungswort „etwa” schließt den angegebenen Wert ein und hat die vom Zusammenhang erforderte Bedeutung (z. B. beinhaltet den mit dem Messwert der jeweiligen Menge assoziierten Fehlergrad). Außerdem schließt der Begriff „Kombination” Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein.
Darüber hinaus soll in dieser Patentbeschreibung ein in der Mehrzahl angegebener Begriff gewöhnlich Einzahl und Mehrzahl des Begriffs einschließen, wodurch wenigstens einer dieses Begriffs eingeschlossen wird (z. B. kann das „Durchgangsloch” ein oder mehrere Durchgangslöcher einschließen, sofern nicht gegenteilig angegeben). Die Bezugnahme in der ganzen Patentbeschreibung auf „eine einzelne Ausführungsform”, eine „weitere Ausführungsform”, ”eine Ausführungsform” und so weiter bedeutet, dass ein bestimmtes, in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft) in wenigstens einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist und in anderen Ausführungsformen enthalten sein kann oder auch nicht. Außerdem versteht es sich, dass die beschriebenen erfinderischen Merkmale in den verschiedenen Ausführungsformen auf jede beliebige geeignete Weise kombiniert werden können.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems 10. Das System 10 kann eine/n oder mehrere Verdichter 12, Brennkammern 14, Turbinen 16 und Brennstoffdüsen 20 beinhalten. Der Verdichter 12 und die Turbine 16 können durch eine oder mehrere Wellen miteinander verbunden sein. Die Welle 18 kann eine einzelne Welle sein oder mehrere Wellensegmente, die miteinander zu Welle 18 verbunden sind.
Das Gasturbinensystem 10 kann eine Anzahl von Heißgaspfadbauteilen 100 beinhalten. Ein Heißgaspfadbauteil ist ein Bauteil des Systems 10, das wenigstens teilweise einem Hochtemperaturgasstrom durch das System 10 ausgesetzt ist. Zum Beispiel sind Schaufelanordnungen (auch als Laufschaufeln oder Laufschaufelanordnungen bekannt), Düsenanordnungen (auch als Leitschaufeln oder Leitschaufelanordnungen bekannt), Deckbandanordnungen, Übergangsstücke, Befestigungsringe und Verdichterauslassbauteile alle Heißgaspfadbauteile. Es ist aber zu beachten, dass das Heißgaspfadbauteil 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf die obigen Beispiele beschränkt ist, sondern jedes beliebige Bauteil sein kann, das wenigstens teilweise einem Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Des Weiteren ist zu beachten, dass das Heißgaspfadbauteil 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf Bauteile in Gasturbinensystemen 10 beschränkt ist, sondern jede beliebige Maschine oder jeder beliebige Bauteil davon sein kann, die/der Hochtemperaturströmen ausgesetzt werden kann.
Wenn ein Heißgaspfadbauteil 100 einem Heißgasstrom 80 ausgesetzt ist, wird das Heißgaspfadbauteil 100 von dem Heißgasstrom 80 erhitzt und kann möglicherweise eine Temperatur erreichen, bei der das Heißgaspfadbauteil 100 versagt. Damit das System 10 mit einem Heißgasstrom 80 bei hoher Temperatur funktionieren kann, was den Wirkungsgrad und die Leistung des Systems 10 erhöht, ist ein Kühlsystem für das Heißgaspfadbauteil 100 erforderlich.
Im Allgemeinen beinhaltet das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung eine Reihe von kleinen Kanälen oder Mikrokanälen, die in der Oberfläche des Heißgaspfadbauteils 100 gebildet sind. Das Heißgaspfadbauteil kann mit einer Abdeckschicht versehen sein. Ein Kühlfluid kann den Kanälen von einem Speicher zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch die Kanäle strömen und dabei die Abdeckschicht kühlen.
Mit Bezug auf 3–10 wird ein Verfahren zum Anfertigen eines Bauteils 100 beschrieben. Wie z. B. in 3 gezeigt, beinhaltet das Verfahren das Aufbringen einer flüchtigen Beschichtung 30 auf eine Oberfläche 112 eines Substrats 110. Je nach der Ausführung kann die flüchtige Beschichtung einen Teil der Oberfläche 112 bedecken oder, wie in 3 gezeigt, sich über die gesamte Oberfläche 110 erstrecken. Wie z. B. in 2 gezeigt, hat das Substrat 110 wenigstens einen hohlen Innenraum 114.
Das Substrat 110 wird gewöhnlich vor dem Aufbringen der flüchtigen Beschichtung 30 auf der Oberfläche 112 des Substrats 110 gegosssen. Wie in dem US-Patent Nr. 5 626 462 desselben Rechtsnachfolgers besprochen, das durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden wird, kann das Substrat 110 aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden, das hierin als das erste Material beschrieben wird. Je nach der vorgesehenen Anwendung für das Bauteil 100 kann dieses Superlegierungen auf Ni-Basis, Co-Basis und Fe-Basis beinhalten. Die Superlegierungen auf Ni-Basis können die sein, die sowohl γ- als auch '-Phasen enthalten, insbesondere jene Superlegierungen auf Ni-Basis, die – und γ'-Phasen enthalten, wobei die γ'-Phase wenigstens 40 Volumen-% der Superlegierung einnimmt. Derartige Legierungen sind aufgrund einer Kombination erwünschter Eigenschaften, einschließlich Hochtemperaturbeständigkeit und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit, als vorteilhaft bekannt. Das erste Material kann auch eine intermetallische NiAl-Legierung umfassen, da diese Legierungen bekannterweise auch eine Kombination von überlegenen Eigenschaften besitzen, darunter Hochtemperaturbeständigkeit und Hochtemperatur-Kriechfestigkeit, die zur Verwendung in Turbinenmaschinenanwendungen, die für Flugzeuge verwendet werden, vorteilhaft sind. Im Fall der Nb-Basis-Legierungen werden beschichtete Nb-Basis-Legierungen bevorzugt, die eine überragende Oxidationsbeständigkeit haben, wie z. B. Nb/Ti-Legierungen, und insbesondere jene Legierungen, die Nb (27–40), Ti (4,5–10,5), Al (4,5–7,9), Cr (1,5–5,5), Hf (0–6)V in Atomprozent haben. Das erste Material kann auch eine Nb-Basis-Legierung umfassen, die wenigstens eine sekundäre Phase enthält, wie z. B. eine Nb-haltige intermetallische Verbindung, ein Nb-haltiges Carbid oder ein Nb-haltiges Borid. Derartige Legierungen sind insofern analog zu einem Verbundwerkstoff, als sie eine duktile Phase (d. h. die Nb-Basis-Legierung) und eine Verstärkungsphase (d. h. eine Nb-haltige intermetallische Verbindung, ein Nb-haltiges Carbid oder ein Nb-haltiges Borid) enthalten.
Wie beispielsweise in 4 angezeigt, beinhaltet das Verfahren ferner das maschinelle Bearbeiten des Substrats 110 durch die flüchtige Beschichtung 30, um in der Oberfläche 112 des Substrats 110 eine oder mehrere Nuten 132 zu bilden. Bei den veranschaulichten Beispielen werden mehrere Nuten 132 in das Substrat 110 eingeformt. Wie in 4 gezeigt, hat jede der Nuten 132 einen Boden 134 und verläuft, wie z. B. in 11 und 12 gezeigt, wenigstens teilweise entlang der Oberfläche 112 des Substrats 110. Die Nuten sind zwar mit geraden Wänden abgebildet, die Nuten 132 können aber jede beliebige Konfiguration haben, z. B. können sie gerade, gekrümmt oder mit mehreren Krümmungen usw. sein. Bei den in 11 und 12 gezeigten Beispielen transportieren die Nuten Fluid zu Filmaustrittslöchern 142. Die anderen Konfigurationen beinhalten aber kein Filmloch und die Kanäle verlaufen einfach entlang der Substratoberfläche 112 und laufen an einem Rand des Bauteils wie z. B. der Hinterkante oder der Schaufelspitze oder einem Endwandrand aus. Außerdem ist zu beachten, dass die in 11 gezeigten Löcher zwar rund sind, dies aber lediglich ein nicht beschränkendes Beispiel ist. Die Filmlöcher können auch nichtkreisförmig gestaltete Löcher sein.
Die Nuten 132 können mithilfe verschiedener Methoden hergestellt werden. Zum Beispiel können die Nuten 132 unter Verwendung von wenigstens einem der Folgenden hergestellt werden: einem abtragenden Flüssigkeitsstrahl, elektrochemischem Einstech-Abtragen (ECM), Funkenerodieren mit einer rotierenden Elektrode mit einzelner Spitze (Senkerodieren mit rotierender Elektrode), Laserbearbeitung (Laserbohren). Beispielhafte Laserbearbeitungsverfahren werden in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 12/697 005, „Verfahren und System zur Ausbildung von geformten Luftlöchern”, derselben Rechtsnachfolgerin, angemeldet am 29. Januar 2010, beschrieben, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden wird. Beispielhafte Funkenerosionsmethoden werden in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 12/790 675, „Gegenstände, die Rauten-Filmkühllöcher enthalten und zugehörige Verfahren” derselben Rechtsnachfolgerin, angemeldet am 28. Mai 2010, beschrieben, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierein eingebunden wird.
Für besondere Prozesskonfigurationen werden eine oder mehrere Nuten 132 durch Richten eines abtragenden Flüssigkeitsstrahls 160 auf die Oberfläche 112 des Substrats 110 hergestellt, wie in 4 schematisch dargestellt. Jede Rundung der Kanalränder wird sich vorteilhafterweise in dem flüchtigen Material, nicht dem Grundmetall des Substrats befinden. Beispielhafte Wasserstrahlbohrprozesse und -systeme sind in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 12/790 675, „Gegenstände, die Rauten-Filmkühllöcher enthalten und zugehörige Verfahren” derselben Rechtsnachfolgerin, angemeldet am 28. Mai 2010, vorgesehen, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden wird. Wie in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 12/790 675 erläutert, nutzt der Wasserstrahlprozess meist einen Hochgeschwindigkeitsstrahl abtragender Teilchen (z. B. abtragendes „Strahlmittel”), die in einem Hochdruckwasserstrahl suspendiert sind. Der Wasserdruck kann beträchtlich variieren, liegt aber oft im Bereich von etwa 5.000–90.000 psi. Eine Anzahl abtragender Materialien kann verwendet werden, wie z. B. Granat, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und Glaskugeln. Vorteilhafterweise beinhaltet der Wasserstrahlprozess kein Erwärmen des Substrats 110 in bedeutsamem Maße. Daher wird auf der Substratoberfläche 112 keine „hitzebetroffene Zone” gebildet, die sonst die gewünschte Austrittsgeometrie für die Nuten 132 beeinträchtigen könnte.
Außerdem, und wie in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 12/790 675 erläutert, kann das Wasserstrahlsystem eine mehrachsige, von einer computergestützten numerischen Steuerung (CNC) gesteuerte Einheit beinhalten. Die CNC-Systeme selbst sind in der Technik bekannt und werden zum Beispiel in der US-Patentschrift 2005/0013926 (S. Rutkowski und andere) beschrieben, die durch Bezugnahme hierin eingebunden wird. CNC-Systeme erlauben die Bewegung des spanenden Werkzeugs entlang einer Anzahl von X-, Y- und Z-Achsen sowie Rotationsachsen.
Wie gezeigt, z. B. in 5, beinhaltet das Verfahren ferner das Bilden von einem oder mehreren Zugangslöchern 140. Spezieller sind pro Nut 132 ein oder mehrere Zugangslöcher 140 vorgesehen. Bei den illustrierten Beispielen ist pro Nut 132 ein Zugangsloch 140 vorgesehen. Wie z. B. in 10 gezeigt, ist jedes der Zugangslöcher 140 durch den Boden 134 einer jeweiligen der Nuten 132 gebildet, um die Nut 132 in Fluidkommunikation mit jeweiligen des/der hohlen Innenraums/Innenräume 114 zu verbinden. Wie gezeigt, z. B. in 10, verbinden die Zugangslöcher 140 jeweilige der Nuten 132 in Fluidkommunikation mit dem jeweiligen des wenigstens einen hohlen Innenraums 114. Die einen oder mehreren Zugangslöcher 140 haben gewöhnlich einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt und können zum Beispiel mithilfe wenigstens einem der Folgenden gebildet werden: Laserbearbeitung (Laserbohren), abtragender Flüssigkeitsstrahl, Funkenerosion (EDM) und Elektronenstrahlbohren. Die Zugangslöcher 140 können zum Boden 134 der jeweiligen Nuten 132 normal sein (wie in 6 gezeigt) oder können im Winkel im Bereich von 20–90 Grad relativ zum Boden 134 der Nut 132 gebohrt werden.
Wie gezeigt, z. B. in 6, beinhaltet das Verfahren das Füllen der einen oder mehreren Nuten 132 mit einem Füller 32. Der Füller kann zum Beispiel durch Aufschlämmung, Tauchbeschichtung oder Spritzbeschichten des Bauteils 100 mit einer „Farbe” 32 aus einer metallischen Aufschlämmung aufgetragen werden, so dass die Nuten 132 gefüllt werden. Für andere Konfigurationen kann der Füller 32 mit Hilfe eines Micropens oder einer Spritze aufgetragen werden. Bei gewissen Ausführungen können die Nuten 132 mit dem Füllermaterial 32 überfüllt werden. Überschüssiger Füller 32 kann z. B. durch Abwischen entfernt werden, so dass die Nuten 132 ”gesehen” werden. Zu nicht begrenzenden beispielhaften Materialien für den Füller 32 zählen lichthärtbare Harze (z. B. mit sichtbarem oder UV-Licht härtbare Harze), Keramik, Kupfer- oder Molybdänfarben mit einem organischen Lösemittelträger und Graphitpulver mit einer Wasserbasis und einem Träger. Allgemeiner kann der Füller 32 die Partikel von Interesse suspendiert in einem Träger mit einem fakultativen Bindemittel umfassen. Ferner, je nach dem eingesetzten Füllertyp, kann der Füller in die Zugangslöcher 140 fließen oder auch nicht. Beispielhafte Füllermaterialien (oder Kanalfüllmittel oder Opfermaterialien) werden in dem US-Patent Nr. 5 640 767 derselben Zessionarin und dem US-Patent Nr. 6 321 449 derselben Rechtsnachfolgerin beschrieben, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden werden. Für besondere Prozesskonfigurationen wird eine „Farbe” aus metallischer Aufschlämmung niedriger Stärke für den Füller verwendet. Die Verwendung von Farbe niedriger Stärke erleichtert vorteilhaft anschließendes Polieren. Außerdem wird der Füller für gewisse Prozesskonfigurationen aufgrund der ersten flüchtigen Beschichtungsdicke über die Kanalhöhe gefüllt, so dass der Füller bis auf die gewünschte Höhe herunter oder ein wenig höher aushärtet.
Wie gezeigt, z. B. in 9, beinhaltet das Verfahren ferner das Anordnen einer Beschichtung 150 auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110. Es ist zu beachten, dass die Beschichtung 150, wie abgebildet, lediglich die erste Beschichtung oder Strukturbeschichtung ist, die die Kanäle bedeckt. Für gewisse Anwendungen kann auch nur eine einzige Beschichtung verwendet werden. Für andere Anwendungen werden aber auch eine Haftvermittlerschicht und eine Wärmedämmschicht (TBC) verwendet. Beispielhafte Beschichtungen 150 sind in US-Patent Nr. 5 640 767 und US-Patent Nr. 5 626 462 vorgesehen, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden werden. Wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, werden die Beschichtungen 150 an Teile der Oberfläche 112 des Substrats 110 gebunden.
Für die in 2 dargestellte beispielhafte Anordnung verläuft die Beschichtung 150 längs entlang der schaufelblattförmigen Außenfläche 112 des Substrats 110. Die Beschichtung 150 entspricht der schaufelblattförmigen Außenfläche 112 und bedeckt die Nuten 132, wobei sie die Kanäle 130 bildet. Wie z. B. in 11 und 12 gezeigt, können das Substrat 110 und die Beschichtung 150 ferner ein oder mehrere Austrittsfilmlöcher 142 definieren. Allgemeiner können das Substrat 110 und die Beschichtung eine Anzahl von Austrittslöchern zum Transportieren von Fluid von den Kanälen 130 zur Außenfläche des Bauteils 100 definieren. Für die in 12 gezeigte beispielhafte Konfiguration transportiert der Kanal 130 Kühlmittel von einem Zugangsloch 140 zu einem Filmkühlungsloch 142. Die Beschichtung 150 weist ein zweites Material auf, das jedes geeignete Material sein kann und das an die schaufelblattförmige Außenfläche 120 von Substrat 110 gebunden ist. Für besondere Konfigurationen hat die Beschichtung 150 eine Dicke im Bereich von 0,1–2,0 Millimeter und insbesondere im Bereich von 0,1 bis 1 Millimeter und speziell 0,1 bis 0,5 Millimeter für industrielle Bauteile. Für Bauteile für die Luftfahrt beträgt dieser Bereich gewöhnlich 0,1 bis 0,25 Millimeter. Je nach den Anforderungen für ein bestimmtes Bauteil 100 können aber auch andere Dicken genutzt werden.
Für besondere Prozesskonfigurationen, wobei jetzt wieder auf 6 und 7 Bezug genommen wird, beinhaltet das Verfahren ferner das Entfernen der flüchtigen Beschichtung 30 vor dem Aufbringen der Beschichtung 150 auf die Oberfläche 112 des Substrats 110. Je nach den spezifischen Materialien und Prozessen kann die flüchtige Beschichtung 30 mit mechanischen (z. B. Polieren) oder chemischen (z. B. Auflösen in einem Lösungsmittel) Mitteln oder einer Kombination dieser entfernt werden. Die Beschichtung 150 kann mit einer Reihe verschiedener Methoden aufgebracht werden. Für besondere Prozesse wird die Beschichtung 150 durch Durchführen einer Ionen-Plasma-Abscheidung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebracht. Eine beispielhafte Vorrichtung und ein beispielhaftes Verfahren zur Ionen-Plasma-Abscheidung mit Kathodenlichtbogen werden in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 20080138529, Weaver und andere, „Verfahren und Vorrichtung zur Katodenstrahl-Ionenplasmaabscheidung” derselben Rechtsnachfolgerin beschrieben, die durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden wird. Kurz, Ionen-Plasma-Abscheiden umfasst das Positionieren einer aus einem Beschichtungsmaterial gebildeten Kathode in einer Vakuumumgebung in einer Vakuumkammer, Bereitstellen eines Substrats 110 in der Vakuumumgebung, Zuführen eines Stroms zu der Kathode zum Bilden eines Kathodenlichtbogens auf einer Kathodenoberfläche, der zur Erosion oder Evaporation von Beschichtungsmaterial von der Kathodenoberfläche führt, und Abscheiden des Beschichtungsmaterials von der Kathode auf der Substratoberfläche 112.
In einem nicht begrenzenden Beispiel umfasst der Ionen-Plasma-Abscheidungsprozess einen Gasphasenabscheidungsprozess. Nicht begrenzende Beispiele der Beschichtung 150 beinhalten Strukturbeschichtungen, Haftvermittlerschichten, oxidationsbeständige Beschichtungen und Wärmedämmschichten, wie unten mit Bezug auf US-Patent Nr. 5 626 462 ausführlicher beschrieben wird. Für gewisse Heißgaspfadkomponenten 100 weist die Beschichtung eine Legierung auf Nickelbasis oder Kobaltbasis auf und weist insbesondere eine Superlegierung oder eine NiCoCrAlY-Legierung auf. Beispielsweise kann die Beschichtung 150, wenn das erste Material des Substrats 110 eine Ni-Basis-Superlegierung ist, die γ- und γ'-Phasen enthält, die gleichen Materialien enthalten, wie unten mit Bezug auf US-Patent Nr. 5 626 462 ausführlicher besprochen wird.
Für andere Prozesskonfigurationen wird die Beschichtung 150 auf wenigstens einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebracht, indem wenigstens ein thermisches Spritzverfahren oder ein Kaltgasspritzverfahren durchgeführt wird. Das thermische Spritzverfahren kann beispielsweise Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfassen, wobei das Flammspritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Verwendung von Sauerstoff (HVOF) oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Verwendung von Luft (HVAF) umfassen kann und das Plasmaspritzen das Plasmaspritzen an Atmosphäre (wie Luft oder Schutzgas) oder das Plasmaspritzen unter niedrigem Druck (LLPS, auch als Vakuum-Plasmaspritzen VPS bekannt) umfassen kann. In einem nicht begrenzenden Beispiel wird eine NiCrAlY-Beschichtung durch HVOF oder HVAF aufgebracht. Andere beispielhafte Methoden zum Aufbringen von einer oder mehreren Schichten der Beschichtung 150 beinhalten Sputtern, Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung, stromloses Abscheiden und galvanisches Beschichten, ohne darauf begrenzt zu sein.
Es ist erwünscht, für gewisse Konfigurationen mehrere Abscheidungsmethoden zum Bilden des Beschichtungssystems 150 einzusetzen. Beispielsweise kann eine erste Beschichtungsschicht unter Verwendung einer Ionen-Plasma-Abscheidung aufgebracht werden und eine danach aufgebrachte Schicht und fakultative zusätzliche Schichten (nicht gezeigt) können mit anderen Methoden aufgebracht werden, wie z. B. einem Flammspritzverfahren (z. B. HVOF oder HVAF), oder unter Verwendung eines Plasmaspritzverfahrens wie z. B. LPPS. Je nach den verwendeten Materialien, kann die Verwendung verschiedener Aufbringungsmethoden für die Beschichtungsschichten Vorteile bezüglich Beanspruchbarkeit und/oder Duktilität ergeben.
Allgemeiner, und wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, umfasst das zweite Material, das zum Bilden der Beschichtung 150 verwendet wird, jedes beliebige geeignete Material. Im Fall eines gekühlten Turbinenbauteils 100 muss das zweite Material Temperaturen bis zu etwa 1150°C standhalten können, während die Wärmedämmschicht Temperaturen bis zu etwa 1320°C standhalten kann. Die Beschichtung 150 muss mit der schaufelblattförmigen Außenfläche 112 des Substrats 110 verträglich sein und zum Binden an sie ausgeführt sein. Diese Bindung kann gebildet werden, wenn die Beschichtung 150 auf Substrat 110 aufgebracht wird. Diese Bindung kann durch viele Parameter, einschließlich dem Abscheidungsverfahren, der Temperatur des Substrats 110 während der Abscheidung, ob die Abscheidungsfläche relativ zur Aufbringungsquelle vorgespannt ist, und andere Parameter während der Abscheidung beeinflusst werden. Das Binden kann auch durch anschließende Wärmebehandlung oder eine andere Bearbeitung beeinflusst werden. Außerdem kann die Oberflächenmorphologie, Chemie und Sauberkeit des Substrats 110 vor der Abscheidung den Grad beeinflussen, in dem die metallurgische Bindung erfolgt. Neben der Bildung einer starken metallurgischen Bindung zwischen Beschichtung 150 und Substrat 110 ist es erwünscht, dass diese Bindung über eine gewisse Zeit hinweg und bei hohen Temperaturen in Bezug auf Phasenwechsel und Interdiffusion stabil bleibt, wie hierin beschrieben wird. Mit verträglich wird bevorzugt, dass die Bindung zwischen diesen Elementen thermodynamisch stabil ist, so dass die Festigkeit und Duktilität der Bindung mit der Zeit (z. B. bis zu 3 Jahre) durch Interdiffusion oder andere Prozesse, selbst bei Exposition bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 1.150°C für Schaufelblattträgerwände 40 aus Ni-Basis-Legierung und Ni-Basis-Schaufelblatthäute 42, oder höheren Temperaturen in der Größenordnung von 1.300°C in dem Fall, dass Materialien für höhere Temperatuen genutzt werden, wie z. B. Nb-Basis-Legierungen, nicht beträchtlich verschlechtert wird.
Wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, bei dem das erste Material des Substrats 110 eine Ni-Basis-Superlegierung ist, die γ- und γ'-Phasen enthält, oder eine intermetallische NiAl-Legierung, können zweite Materialien für Beschichtung 150 dieselben Materialien umfassen. Eine derartige Kombination von Materialien für Beschichtung 150 und Substrat 110 wird für Anwendungen wie beispielsweise diejenigen bevorzugt, bei denen die Höchsttemperaturen der Betriebsumgebung ähnlich denen von bestehenden Maschinen (z. B. unter 1650°C) sind. In dem Fall, in dem das erste Material des Substrats 110 eine Nb-Basis-Legierung ist, können die zweiten Materialien für die Beschichtung 150 ebenfalls eine Nb-Basis-Legierung, einschließlich der gleichen Nb-Basis-Legierung, umfassen.
Wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, wird für andere Anwendungen, wie z. B. Anwendungen, die Temperatur-, Umgebungs- oder sonstige Beschränkungen vorschreiben, die die Verwendung einer Metalllegierungsbeschichtung 150 unerwünscht machen, bevorzugt, dass die Beschichtung 150 Materialien aufweist, die Eigenschaften haben, die denen von Metalllegierungen allein überlegen sind, wie z. B. Verbundwerkstoffe in der allgemeinen Form von Verbundwerkstoffen mit intermetallischen Verbindungsphasen (I_s)/Metalllegierungsphasen (M) und Verbundwerkstoffen mit intermetallischen Verbindungsphasen (I_s)/intermetallischen Verbindungsphasen (I_M). Metalllegierung M kann die gleiche Legierung sein, die für die Schaufelblattträgerwand 40 verwendet wird, oder ein anderes Material, je nach den Anforderungen des Schaufelblatts. Diese Verbundwerkstoffe sind im Großen und Ganzen insofern ähnlich, als sie eine relative mehr duktile Phase M oder I_M mit einer relative weniger duktilen Phase I_s kombinieren, um eine Beschichtung zu erzeugen, die die Vorteile beider Materialien erhält. Des Weiteren müssen die beiden Materialien miteinander verträglich sein, wenn ein erfolgreicher Verbundwerkstoff erwünscht ist. Der hierin in Bezug auf Verbundwerkstoffe benutzte Begriff verträglich bedeutet, dass die Materialien in der Lage sein müssen, die gewünschte anfängliche Verteilung ihrer Phasen zu bilden und diese Verteilung für längere Zeitspannen, wie oben beschrieben, bei Gebrauchstemperaturen von 1.150°C oder darüber aufrecht zu erhalten, ohne metallurgische Reaktionen zu durchlaufen, die die Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und andere wichtige Eigenschaften des Verbundwerkstoffs wesentlich beeinträchtigen. Eine derartige Verträglichkeit kann auch im Sinne der Phasenstabilität ausgedrückt werden. Das heißt, dass separate Phasen des Verbundwerkstoffs über längere Zeitspannen hinweg eine Stabilität während des Betriebs bei gewisser Temperatur haben müssen, so dass diese Phasen separat und verschieden bleiben, ihre separaten Identitäten und Eigenschaften behalten und aufgrund von Interdiffusion keine einzelne Phase oder eine Vielzahl verschiedener Phasen werden. Die Verträglichkeit kann auch im Sinne von morphologischer Stabilität der Grenzflächen an den Phasengrenzflächen zwischen den Verbundstoffschichten I_S/M oder I_S/I_M ausgedrückt werden. Eine derartige Instabilität kann sich durch Windungen manifestieren, die die Kontinuität einer der Schichten unterbrechen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass innerhalb einer bestimmten Beschichtung 150 auch eine Vielzahl von I_S/M-oder I_S/I_M-Verbundwerkstoffen verwendet werden können und derartige Verbundwerkstoffe nicht auf zwei Material- oder zwei Phasenkombinationen begrenzt sind. Die Verwendung derartiger Kombinationen ist nur veranschaulichend für die potentiellen Kombinationen und nicht umfassend oder begrenzend. Daher sind M/I_M/I_S, M/I_S1/I_S2 (wobei I_S1 und I_S2 verschiedene Materialien sind) und viele andere Kombinationen möglich.
Wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, in dem das Substrat 110 eine Ni-Basis-Superlegierung aufweist, die ein Gemisch von γ- und γ'-Phasen umfasst, kann I_S intermetallische Verbindungen und Zwischenphasen Ni₃ [Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃Si, [Cr, Mo]_XSi, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ umfassen und M kann eine Ni-Basis-Superlegierung, umfassend ein Gemisch von γ- und γ'-Phasen, aufweisen. Bei Ni-Basis-Superlegierungen, die ein Gemisch von γ- und γ'-Phasen aufweisen, sind fast immer die Elemente Co, Cr, Al, C und B als Legierungsbestandteile vorhanden sowie unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr. Die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_S-Materialien entsprechen also einem oder mehreren Materialien, die in Ni-Basis-Superlegierungen, wie sie als erstes Material (zum Bilden des Substrats 110) verwendet werden, gewöhnlich angetroffen werden, und können daher angepasst werden, um die hierin beschriebene Phasen- und Interdiffusionsstabilität zu erreichen. Als ein zusätzliches Beispiel in dem Fall, in dem das erste Material (das Substrat 110) eine intermetallische NiAl-Legierung umfasst, kann I_S die intermetallischen Verbindungen und intermetallischen Phasen Ni₃ [Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃Si, [Cr, Mo]_XSi, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ aufweisen und I_M kann eine intermetallische Ni₃Al-Legierung umfassen. Bei intermetallischen NiAl-Legierungen ist ebenfalls fast immer wenigstens eines der Elemente Co, Cr, C und B als Legierungsbestandteil sowie unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr vorhanden. Die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_S-Materialien entsprechend einem oder mehreren der Materialien, die gewöhnlich in NiAl-Legierungen zu finden sind, wie sie als das erste Material verwendet werden können, und können daher angepasst werden, um die hierin beschriebene Phasen- und Interdiffusionsstabilität zu erreichen.
Wie in US-Patent Nr. 5 626 462 besprochen, in dem Substrat 110 eine Nb-Basis-Legierung aufweist mit einer Nb-Basis-Legierung, die wenigstens eine sekundäre Phase enthält, kann I_S eine Nb-haltige intermetallische Verbindung, ein Nb-haltiges Carbid oder ein Nb-haltiges Borid enthalten und M kann eine Nb-Basis-Legierung umfassen. Es wird bevorzugt, dass ein derartiger I_S/M-Verbundwerkstoff eine M-Phase einer Nb-Basis-Legierung aufweist, die Ti enthält, so dass das Atomverhältnis des Ti zu Nb (Ti/Nb) der Legierung im Bereich von 0,2–1 ist, und eine I_S-Phase, die eine Gruppe bestehend aus Nb-Basis-Siliziden, Cr₂ [Nb, Ti, Hf], und Nb-Basis-Aluminiden umfasst, und wobei Nb, unter Nb, Ti and Hf, der Hauptbestandteil von Cr₂ [Nb, Ti, Hf] auf Atombasis ist. Alle diese Verbindungen haben als gemeinsamen Bestandteil Nb und können daher zum Erreichen der in US-Patent Nr. 5 626 462 beschriebenen Phasen- und Interdiffusionsstabilität angepasst werden.
Das Verfahren, wobei jetzt auf 10 Bezug genommen wird, beinhaltet ferner das Entfernen des Opferfüllers 32 aus den Nuten 132, so dass die Nuten 132 und die Beschichtung 150 zusammen eine Anzahl von Kanälen 130 zum Kühlen des Bauteils 100 definieren. Zum Beispiel kann der Füller 32 mit einem chemischen Laugungsverfahren aus den Kanälen 130 gelaugt werden. Wie in US-Patent Nr. 5 640 767 besprochen, kann der Füller (oder das Kanalfüllmittel) z. B. durch Schmelzen/Extraktion, Pyrolyse oder Ätzen entfernt werden. Desgleichen können die in US-Patent Nr. 6 321 449 besprochenen Füllermaterialien (Opfermaterialien) durch Auflösen in Wasser, Alkohol, Aceton, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder Salpetersäure entfernt werden.
Zusätzlich zum Beschichtungssystem 150 kann die Innenfläche des Kanals 130 ferner modifziert werden, um ihre Oxidations- und/oder Heißkorrosionsbeständigkeit zu verbessern. Geeignete Methoden zum Auftragen einer oxidationsbeständigen Beschichtung (nicht ausdrücklich gezeigt) auf der Innenfläche der Nuten 132 (oder der Kanäle 130) beinhalten Inchromieren aus der Dampfphase oder Aufschlämmung, Aluminieren aus der Dampfphase oder Aufschlämmung oder Aufbringen von Auflageschichten durch Verdunstung, Sputtern, Ionen-Plasma-Abscheidung, thermisches Spritzen und/oder Kaltgasspritzen. Zu beispielhaften oxidationsbeständigen Auflagebeschichtungen zählen Materialien in der McrAlY-Familie (M = {Ni,Co,Fe}) sowie aus der NiAlX-Familie (X = {Cr, Hf, Zr, Y, La, Si, Pt, Pd}) gewählte Materialien. Falls verwendet, würde die oxidationsbeständige Beschichtung im typischen Fall nach Entfernen des Opferfüllers 32 mit einem oder mehreren aus Inchromieren aus der Dampfphase oder Aufschlämmung und Aluminieren aus Aufschlämmung auf die Innenfläche des Kanals 130 aufgebracht werden.
Bei den in 11 und 12 dargestellten beispielhaften Anordnungen leiten die Kanäle 130 den Kühlungsstrom von dem jeweiligen Zugangsloch 140 zu dem Filmaustrittsloch 142. Die Kanallänge ist gewöhnlich im Bereich von 10 bis 1000 Mal so lang wie der Filmlochdurchmesser und insbesondere im Bereich von 20 bis 100 Mal so lang wie der Filmlochdurchmesser. Vorteilhafterweise können die Kanäle 130 überall auf den Oberflächen der Bauteile (Schaufelblattkörper, Vorderkanten, Hinterkanten, Schaufelspitzen, Endwände, Plattformen) verwendet werden. Außerden werden die Kanäle zwar mit geraden Wänden gezeigt, die Kanäle 130 können aber eine beliebige Konfiguration haben, z. B. können sie gerade, gekrümmt oder mehrfach gekrümmt usw. sein.
Für besondere Prozesskonfigurationen, wobei jetzt auf 3 Bezug genommen wird, liegt die Dicke der auf die Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebrachten flüchtigen Beschichtung 30 in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 Millimetern. In einem nicht begrenzenden Beispiel umfasst die flüchtige Beschichtung 30 eine einen Millimeter dicke Beschichtung auf Polymerbasis. Die flüchtige Beschichtung 30 kann mit einer Reihe verschiedener Aufbringungsverfahren aufgebracht werden, darunter Pulverbeschichtung, elektrostatische Beschichtung, Tauchbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Gasphasenabscheidung und Auftragen eines präparierten Bands. Insbesondere ist die flüchtige Beschichtung im Wesentlichen gleichmäßig und haftfähig, beschädigt aber das Substratgrundmetall nicht.
Für besondere Prozesskonfigurationen wird die flüchtige Beschichtung 30 mithilfe von Pulverbeschichtung oder elektrostatischer Beschichtung aufgebracht. Für beispielhafte Prozesskonfigurationen weist die flüchtige Beschichtung 30 ein Polymer auf. Die flüchtige Beschichtung kann z. B. eine Beschichtung auf Polymerbasis umfassen, wie z. B. Pyridin, die mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht werden kann. Zu anderen beispielhaften Beschichtungsmaterialien auf Polymerbasis zählen Harze, wie z. B. Polyester und Epoxidharze. Beispielhafte Harze können lichthärtbare Harze beinhalten, wie ein lichthärtbares oder UV-härtbares Harz, wobei nichtbegrenzende Beispiele dieser ein durch UV-Licht oder sichtbares Licht aushärtbares Maskierungsharz beinhalten, das unter der Marke Speedmask 729^® von DYMAX mit Geschäftssitz in Torrington, Connecticut, vertrieben wird, wobei das Verfahren in diesem Fall das Aushärten des lichthärtbaren Harzes 30 vor Bilden der Nuten 132 beinhaltet. Für andere Prozesskonfigurationen kann die flüchtige Beschichtung ein kohlenstoffhaltiges Material aufweisen. Zum Beispiel kann die flüchtige Beschichtung 30 Grafitlack aufweisen. Polyethylen ist ein weiteres bespielhaftes Beschichtungsmaterial. Für andere Prozessbeschichtungen kann die flüchtige Beschichtung 30 auf der Oberfläche 112 des Substrats 110 eingebrannt werden.
Für besondere Prozesskonfigurationen, wobei jetzt wieder auf 3 und 4 Bezug genommen wird, weist das Verfahren ferner das Aushärten der flüchtigen Beschichtung 30 vor dem maschinellen Bearbeiten des Substrats 110 auf. Die flüchtige Beschichtung 30 dient als Bearbeitungsmaske zur Herstellung der Kanäle. Diese Maske führt zu den gewünschten scharfen Kanalrändern. So erleichtert das Vorhandensein der flüchtigen Beschichtung während der Bearbeitungsvorgänge zum Bilden der Nuten 132 die Bildung von Kühlkanälen 130 mit den erforderlichen scharfen, gut definierten Rändern an der Beschichtungsgrenzfläche. Dies ist die eine wichtigste Region im Kühlungskonzept und der oben beschriebene Fertigungsprozess erzielt das gewünschte Ergebnis mit weniger Bearbeitungspräzision und geringerer Kompliziertheit beim Füllen als ohne die Verwendung einer flüchtigen Beschichtung erforderlich wären.
Für besondere Prozesskonfigurationen, wenn es auch nicht ausdrücklich dargestellt wird, beinhaltet das Verfahren ferner das Entfernen der flüchtigen Beschichtung 30 vor dem Füllen der Nuten mit dem Füller 32. Die Beschichtung 30 kann mithilfe einer Reihe verschiedener Methoden entfernt werden, wobei zu den nicht begrenzenden Beispiel für sie die chemische Entfernung (z. B. Auslaugung) oder die mechanische Entfernung (z. B. Polieren) zählen. Die Entfernung der flüchtigen Beschichtung entfernt überschüssigen Füller auf der flüchtigen Beschichtung und hinterlässt vorteilhaft scharfe Kanalränder im Grundmetall des Substrats, da die flüchtige Beschichtung als Maske für den abtragenden Flüssigkeitsstrahl (beispielsweise) während des Bildens der Nuten wirkte. Der Entfernungsprozess sollte den Opferfüller nicht beeinträchtigen. Das Verfahren kann ferner das Polieren der Oberfläche beinhalten, um überschüssigen Opferfüller zu entfernen, bevor das Beschichtungssystem 150 aufgetragen wird.
Für andere Prozesskonfigurationen wie den in 6 und 7 gezeigten wird der Füller aufgebracht und gehärtet, bevor die flüchtige Beschichtung entfernt wird. Vorteilhafterweise erleichtert dies das Füllen der Nuten vor dem Aufbringen der Strukturbeschichtung, da die flüchtige Beschichtung vorhanden ist, um das Substratgrundmetall zu maskieren und als Führung oder Schablone für einen bequemen Füllprozess zu wirken. Zum Beispiel kann das Verfahren fakultativ den Schritt des Aushärtens des Füllers 32 für die in 6 gezeigte beispielhafte Prozesskonfiguration beinhalten. Zum Beispiel wird bei lichthärtbare Harze aufweisenden Füllern 32 der Füller durch Belichten gehärtet. Bei keramischen Füllern wird der Füller 32 durch Wärmebehandlung zum Entfernen der Trägerlösung gehärtet. Bei Kupfer- oder Molybdänfarben mit einem organischen Lösemittelträger umfassenden Füllern wird der Füller durch Wärmebehandlung zum Entfernen des Trägers gehärtet. Bei gewissen Ausführungen kann der Aushärtungsprozess die flüchtige Beschichtung 30 effektiv entfernen. Zum Beispiel entfernt der Aushärtungsschritt, wenn die Sintertemperatur 600°C übersteigt, eine Polymermaske 30 vom Substrat 110.
Weil der Opferfüller 32 aufgrund der Dicke der flüchtigen Beschichtung 30 auf über die Kanalhöhe gefüllt werden kann (wie z. B. in 6 und 7 gezeigt), härtet der Füller 32 bis auf die gewünschte Höhe hinunter oder etwas höher als erwünscht aus. Die Oberfläche 112 des Substrats 110 kann dann zum Entfernen des überschüssigen Füllers vor Aufbringen der Beschichtung 150 poliert werden. Wenn der Aushärtungsprozess eine zu starke Schrumpfung des Opferfüllers verursacht und bewirkt, dass der Füller sich von den Kanalwänden zurückzieht, kann vor dem Entfernen der flüchtigen Beschichtung zusätzlicher Füller aufgebracht werden. Wie in dem US-Patent US Patent Na. 6 32 449 derselben Rechtsnachfolgerin, das durch Bezugnahme vollumfänglich hierin eingebunden wird, weisen geeignete Opferfüller 32 zur Verwendung in Substraten 110 aus Superlegierungen auf Nickelbasis Folgendes auf: (a) zusammensetzungsbezogene Verträglichkeit mit Nickel-Basis-Superlegierungen bei Temperaturen, die zur Aufbringung der Beschichtung erforderlich sind (im Fall eines Schaufelblatts 100, einer Schaufelblatthaut) 150 z. B. wenigstens 400°C für Ionen-Plasma-Abscheidung; (b) Wärmebeständigkeit bei Aufbringungstemperaturen für die Beschichtung (Schaufelblatthaut) 150; (c) einfaches Entfernen nach der Aufbringung der Beschichtung (Haut); (d) jeweilige Haftung an einem Substrat 110 auf Nickelbasis bei niedrigen und hohen Temperaturen vor und während der Aufbringung der Beschichtung (Haut); (e) minimale Verdichtungsschrumpfung relativ zu einem Substrat 110 auf Nickelbasis, während der Füller 32 während der Aufbringung der Beschichtung (Haut) erhitzt wird; (f) einen vergleichsweisen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) für Superlegierungen auf Nickelbasis; (g) leichtes Entfernen von dem Substrat 110 vor der Aufbringung der Beschichtung (Haut), so dass die Beschichtung (Haut) direkt auf das Substrat 110 aufgebracht und gebunden wird; und (h) verformbar, um die Nuten 132 vollständig zu füllen und eine glatte, angemessen dichte Füllungsoberfläche zu erzielen, auf die die Beschichtung (Haut) 150 aufgebracht wird. Wenn einer der Punkte (d) bis (h) nicht erfüllt wird, kann in der Nut während der Hautaufbringung ein Spalt vorhanden sein, der, wenn er groß genug ist, zu einem nicht akzeptablen Defekt in der Beschichtung (Schaufelblatthaut) führen wird.
Für den in den 6 und 7 illustrierten Prozess beinhaltet das Verfahren ferner das Entfernen der flüchtigen Beschichtung 30 nach dem Trocknen, Aushärten oder Sintern des Füllers 32 (zusammenfassend als „Härten” des Füllers bezeichnet) und vor dem Aufbringen der Beschichtung 150 auf der Oberfläche 112 des Substrats 110. Zum Beispiel könnte das Entfernen der flüchtigen Beschichtung 30 und das Polieren der Oberfläche 112 des Substrats 110 (zum Entfernen von überschüssigem getrocknetem, gehärtetem oder gesintertem – zusammenfassend „gehärteten” – Füller 32) in einem einzelnen Schritt durchgeführt werden. Für andere Ausführungen können zwei separate Schritte angewendet werden, um die flüchtige Beschichtung 30 zu entfernen und die Oberfläche 112 des Substrats 110 zu polieren, um überschüssigen gehärteten Füller 32 zu entfernen.
BEISPIEL
Eine beispielhafte Folge von Verfahrensschritten ist wie folgt. Dies ist allerdings ein Beispiel und nicht zur Begrenzung der Erfindung vorgesehen. Eine flüchtige Beschichtung, die das mit UV/sichtbarem Licht härtbare Maskierungsharz Speedmask 729^® umfasst, wurde auf die Oberfläche eines Substrats aus einer einkristalligen Superlegierung (Renee N5) aufgebracht. Mithilfe eines abtragenden Wasserstrahls wurden Nuten durch die flüchtige Beschichtung in dem Substrat hergestellt. Ein Kupferfarbe umfassendes Füllermaterial wurde als Aufschlämmung auf die gesamte Oberfläche des flüchtig beschichteten Substrats und in das Nuteninnere aufgetragen. Der überschüssige Füller wurde abgewischt und der übrige Füller wurde gehärtet. Das Maskierungsmittel (flüchtige Beschichtung) wurde durch Durchführen einer Wärmebehandlung bei 500 Grad Celsius ohne Beschädigen des Füllers in den Kanälen, aber bei Entfernen von sämtlichem überschüssigem Füller auf dem Maskierungsmittel entfernt. Der verbleibende gehärtete Füller in den Kanälen wurde dann durch Schleifen der Oberfläche geglättet. Die abschließende metallische Haftvermittlerschicht und YSZ-Wärmedämmschichten (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid) wurden mit einem HVOF-Verfahren aufgebracht und der Füller wurde mithilfe von konzentrierter Salpetersäure ausgelaugt.
Vorteilhafterweise ermöglicht das oben beschriebene Verfahren die Herstellung von Kühlkanälen mit als scharfe rechte Winkel ausgebildeten Kanalrändern, ohne das seine weitere Bearbeitung des Substratgrundmetalls erforderlich ist. Diese scharfen Kanalränder reduzieren die Wahrscheinlichkeit der Einleitung von Fehlern (z. B. einem Spalt, einer Risseinleitung oder eines kleinen Hohlraums, der sich in die Strukturbeschichtung ausbreiten könnte, während sie aufgebracht wird) an der Grenzfläche zwischen dem Substratgrundmetall und der Strukturbeschichtung. Außerdem erleichtert die vorliegende Methode das Füllen der Nuten vor Aufbringung der Strukturbeschichtung, da eine flüchtige Beschichtung vorhanden ist, um das Substratgrundmetall zu maskieren und als Führung oder Schablone für einen bequemen Füllprozess zu wirken.
Hierin werden zwar nur gewisse Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben, dem Fachmann fallen aber viele Modifikationen und Änderungen ein. Es versteht sich daher, dass die anhängigen Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die in den echten Sinn der Erfindung fallen.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100) vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen einer flüchtigen Beschichtung 30 auf einer Oberfläche 112 eines Substrats 110, wobei das Substrat 110 wenigstens einen hohlen Innenraum 114 hat. Das Verfahren beinhaltet ferner das maschinelle Bearbeiten des Substrats durch die flüchtige Beschichtung, um in die Oberfläche des Substrats eine oder mehrere Nuten 132 einzuarbeiten. Die eine oder mehreren Nut(en) haben jeweils einen Boden 134 und verlaufen wenigstens teilweise entlang der Oberfläche des Substrats verlaufen. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bilden von einem oder mehreren Zugangslöchern 140 durch den Boden einer jeweiligen der einen oder mehreren Nuten, um die jeweilige Nut mit dem jeweiligen hohlen Innenraum in Fluidkommunikation zu verbinden. Das Verfahren beinhaltet ferner das Füllen der einen oder mehreren Nuten mit einem Füller 32, das Entfernen der flüchtigen Beschichtung 30, das Aufbringen einer Beschichtung 150 auf wenigstens einem Teil der Oberfläche des Substrats und das Entfernen des Füllers aus der einen Nut bzw. den mehreren Nuten, so dass die eine oder mehreren Nut(en) und die Beschichtung zusammen eine Anzahl von Kanälen 130 zur Kühlung des Bauteils definieren.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinensystem
12: Verdichter
14: Brennkammer
16: Turbine
18: Welle
20: Brennstoffdüse
30: Flüchtige Beschichtung
32: Füller
80: Heißgaspfadstrom
100: Heißgaspfadbauteil
110: Substrat
112: Äußere Oberfäche des Substrat
114: Hohler Innenraum
116: Innere Oberfläche des Substrats
130: Kanäle
132: Nuten
134: Boden der Nut
136: Oberseite (Öffnung) der Nut
138: Nutenwand
140: Zugangslöcher
142: Filmloch/Filmlöcher
150: Beschichtung(en)
160: Abtragender Flüssigkeitsstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5626462 [0022, 0029, 0029, 0032, 0032, 0035, 0036, 0037, 0038, 0039, 0039]
US 2005/0013926 [0026]
US 5640767 [0028, 0029, 0040]
US 6321449 [0028, 0040]
US 632449 [0048]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (100), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Aufbringen einer flüchtigen Beschichtung (30) auf einer Oberfläche (112) eines Substrats (110), wobei das Substrat (110) wenigstens einen hohlen Innenraum (114) hat; maschinelles Bearbeiten des Substrats (110) durch die flüchtige Beschichtung (30), um in die Oberfläche (112) des Substrats (110) eine oder mehrere Nuten (132) einzuarbeiten, wobei die eine oder mehreren Nuten (132) jeweils einen Boden (134) haben und wenigstens teilweise entlang der Oberfläche (112) des Substrats (110) verlaufen; Bilden von einem oder mehreren Zugangslöchern (140) durch den Boden (134) einer jeweiligen der einen oder mehreren Nuten (132), um die jeweilige Nut (132) mit dem jeweiligen hohlen Innenraum (114) in Fluidkommunikation zu verbinden; Füllen der Nuten (132) mit einem Füller (32); Entfernen der flüchtigen Beschichtung (30); Aufbringen einer Beschichtung (150) auf wenigstens einem Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) und Entfernen des Füllers (32) aus der einen Nut bzw. den mehreren Nuten (132), so dass die eine oder mehreren Nut(en) (132) und die Beschichtung (150) zusammen eine Anzahl von Kanälen (130) zur Kühlung des Bauteils (100) definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Gießen des Substrats (110) vor dem Aufbringen der flüchtigen Beschichtung (30) auf der Oberfläche (112) des Substrats (110).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Nut(en) (132) unter Verwendung von wenigstens einem der Folgenden hergestellt werden: einem abtragenden Flüssigkeitsstrahl, elektrochemischem Einstech-Abtragen (ECM) und Laserbearbeitung (Laserbohren).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Beschichtung (150) auf wenigstens einem Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) das Durchführen einer Ionen-Plasma-Abscheidung aufweist und wobei die Beschichtung (150) eine Legierung auf Nickelbasis oder Kobaltbasis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Beschichtung (150) auf wenigstens einem Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) das Durchführen von wenigstens einem der Folgenden aufweist: ein thermisches Spritzverfahren, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Verwendung von Sauerstoff (HVOF), Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Verwendung von Luft (HVAF), Plasmaspritzen an Atmosphäre oder Plasmaspritzen unter niedrigem Druck (LLPS) und ein Kaltgasspritzverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der auf der Oberfläche (112) des Substrats (110) aufgebrachten flüchtigen Beschichtung (30) im Bereich von 0,1–2,0 Millimetern beträgt und wobei die flüchtige Beschichtung (30) ein Polymer oder ein kohlenstoffhaltiges Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Trocknen, Härten oder Sintern der flüchtigen Beschichtung (30) vor dem maschinellen Bearbeiten des Substrats (110).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Trocknen, Härten oder Sintern des Füllers (32) und Entfernen der flüchtigen Beschichtung (30) nach Trocknen, Härten oder Sintern des Füllers (32) und vor dem Aufbringen der Beschichtung (150) auf die Oberfläche (112) des Substrats (110).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Entfernen der flüchtigen Beschichtung (30) vor dem Füllen der einen oder mehreren Nuten mit dem Füller (32).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die flüchtige Beschichtung (30) mit Hilfe einer Aufbringungsmethode aufgebracht wird, die aus der Gruppe bestehend aus Pulverbeschichtung, elektrostatischer Beschichtung, Tauchbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Gasphasenabscheidung und Auftragen eines präparierten Bands gewählt wird.