DE102011055612A1

DE102011055612A1 - Turbinenkomponenten mit Kühleinrichtungen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102011055612A1
Application number: DE102011055612A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Ann Melinda Ritter; Raul Basilio Rebak; Bin Wei; Don M. Lipkin; Lawrence Bernard Kool; Dennis Michael Gray
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2031-11-23
Also published as: FR2967715B1; US20120124832A1; DE102011055612B4; JP5965132B2; CN102554564B; FR2967715A1; US8739404B2; CN102554564A; JP2012112381A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung und Herstellung von Kühlmerkmalen in einer Komponente (54), die in einem Heißgaspfad verwendet wird, zum Beispiel in einer Turbine (10). Bei einer Ausführungsform werden Kanäle (110) in einer Außenoberfläche (102) der Komponente (54) ausgebildet (56) und mit einem wieder entfernbaren Material (120) gefüllt (60). Die Außenoberfläche (102) und die Kanäle (110) können anschließend mit einer oder mehreren Schichten – beispielsweise einer strukturellen Schicht (130) und/oder einer Topcoat-Beschichtung (134) – beschichtet (64) werden. Danach kann das entfernbare Material (120) entfernt werden (68), damit die Kanäle (110) frei von dem entfernbaren Material (120) sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hier offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Turbinenanlagen, beispielsweise Gasturbinenanlagen, und insbesondere Ansätze zur Kühlung von Heißgaspfadkomponenten in derartigen Turbinenanlagen.
In Bereichen wie der Energieerzeugung ist die Verwendung von Turbinenanlagen weit verbreitet. Eine herkömmliche Gasturbinenanlage zur Energieerzeugung umfasst einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Eine solche Turbinenanlage erzeugt typischerweise Hochtemperaturgasströme die sich durch einen Strömungspfad bewegen, der durch die Turbinenkomponenten definiert wird. Ströme höherer Temperatur sind allgemein erwünscht, da solche höheren Temperaturen mit einer erhöhten Leistung, Effizienz und Ausgangsleistung der Gasturbinenanlage einhergehen können. Das heißt, die Hochtemperaturströme sind typischerweise verbunden mit Verbrennungsarten und Strömungsbedingungen, die man sich bei einer ordnungsgemäß funktionierenden Gasturbinenanlage wünschen würde oder weisen auf solche hin.
Wie jedoch zu erwarten ist, können derartige hohe Temperaturen eine übermäßige Erwärmung der Komponenten im Strömungspfad verursachen. Eine solche Erwärmung kann zum Versagen von einer oder mehreren dieser Komponenten führen. Da diese Strömungsbedingungen mit hohen Temperaturen bei einer ordnungsgemäß funktionierenden Anlage erwünscht sind, müssen die Komponenten, die Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sind, gekühlt werden, damit die Gasturbinenanlage mit Strömungen erhöhter Temperatur betrieben werden kann.
Zur Kühlung von Komponenten, die Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sind, können verschiedene Strategien eingesetzt werden. Diese Komponenten sind üblicherweise als Heißgaspfadkomponenten bekannt. Allerdings können viele der angewendeten Kühlstrategien zu vergleichsweise geringen Wärmeströmen und ungleichmäßigen Temperaturprofilen der Komponenten führen, die nicht ausreichend sind, um die gewünschte Kühlung zu erzielen.
Bei allen diesen beispielhaften Gasturbinenkomponenten werden typischerweise dünne Metallwände aus hochfesten Superlegierungsmetallen verwendet, um eine verbesserte Dauerhaftigkeit bei gleichzeitig minimiertem Kühlbedarf zu erreichen. Verschiedene Kühlkreisläufe und Merkmale sind speziell auf diese einzelnen Komponenten in ihrer jeweiligen Umgebung in der Turbine zugeschnitten. So kann beispielsweise in einer Heißgaspfadkomponente eine Reihe interner Kühlkanäle oder -serpentinen ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann den Serpentinen aus einem Plenum zugeführt werden, und das Kühlfluid kann durch die Passagen strömen und Substrat und Beschichtung der Heißgaspfadkomponenten kühlen. Diese Kühlstrategie führt allerdings typischerweise zu vergleichsweise geringen Wärmeströmen und ungleichmäßigen Temperaturprofilen der Komponenten.
Mikrokanalkühlung hat das Potenzial zur deutlichen Reduzierung der Kühlanforderungen, da die Kühlung in größtmöglicher Nähe der Wärmezone erfolgt, wodurch bei einem gegebenen Wärmestrom die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite reduziert wird. Beim Aufbringen der strukturellen Beschichtung über Mikrokanälen sind die entscheidendsten Bereiche die oberen Kanten der Kanäle. Sind diese Kanten nicht scharf und rechtwinklig, kann dies Fehler an der Verbindungsstelle zwischen dem Basismetall des Substrats und der strukturellen Beschichtung hervorrufen, entweder in Form eines Spalts, eines Riss-Ausgangspunktes (crack starter) oder einer kleinen Lücke, durch den oder die sich beim Aufbringen Fehler in die Beschichtung ausbreiten können.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Ausbilden von Kanälen mit scharf rechtwinkligen Kanalkanten in einer Mikrokomponente zur Verfügung zu stellen, bei dem keine weitere Bearbeitung des Basismetalls des Substrats erforderlich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente zur Verfügung gestellt. Gemäß diesem Verfahren werden ein oder mehrere Kanäle in einer Außenoberfläche der Turbinenkomponente ausgebildet. Zwischen dem oder den Kanälen und einem Innenbereich der Turbinenkomponente werden ein oder mehrere Löcher ausgebildet. Ein Draht oder Pulver aus Metall oder einer Metalllegierung wird mechanisch in den oder die Kanäle gedrückt, um den Kanal oder die Kanäle im Wesentlichen zu füllen. Eine oder mehrere Beschichtungen werden auf die Außenoberfläche der Turbinenkomponente und über dem oder den mit dem Draht oder Pulver aus Metall oder Metalllegierung gefüllten Kanälen aufgebracht. Ein oder mehrere Löcher werden durch die Beschichtungen hindurch ausgebildet, und der Draht oder das Pulver aus Metall oder einer Metalllegierung werden aus den Kanälen entfernt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Heißgaspfadkomponente zur Verfügung gestellt. Gemäß diesem Verfahren werden ein oder mehrere Kanäle in einer Außenoberfläche der Heißgaspfadkomponente ausgebildet. Der oder die Kanäle werden so mit einer oder mehreren inneren Passagen in der Heißgaspfadkomponente verbunden, dass die Kanäle und die inneren Passagen strömungsverbunden sind. Ein Material aus massivem Metall oder einer Metalllegierung wird mechanisch so in den Kanal oder die Kanäle gepresst, dass der oder die Kanäle im Wesentlichen mit dem Material aus massivem Metall oder einer Metalllegierung gefüllt werden. Auf die Außenoberfläche der Heißgaspfadkomponente wird zumindest eine erste Schicht so aufgebracht, dass der oder die Kanäle bedeckt sind. Ein oder mehrere Kühllöcher werden zumindest durch die erste Schicht hindurch ausgebildet, und das Material aus massivem Metall oder einer Metalllegierung wird aus den Kanälen entfernt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein hergestellter Artikel zur Verwendung in einer Turbomaschine zur Verfügung gestellt. Der hergestellte Artikel umfasst einen Körper mit einer oder mehreren inneren Passagen und einer Körper-Außenoberfläche, in der ein oder mehrere Kanäle ausgebildet sind. Der oder die Kanäle sind mit der oder den inneren Passagen strömungsverbunden. Der hergestellte Artikel umfasst außerdem ein massives Metall oder eine Metalllegierung, die in dem oder den Kanälen angeordnet wird, um den oder die Kanäle zu füllen oder im Wesentlichen zu füllen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 ist ein Blockdiagramm einer Turbinenanlage gemäß bestimmten Aspekten der Offenbarung;
2 ist ein Flussdiagramm, das eine Implementierung eines Verfahrens zum Ausbilden von Heißgaspfadkomponenten gemäß bestimmten Aspekten der Offenbarung zeigt;
3 ist ein Schnitt eines Abschnitts einer Heißgaspfadkomponente gemäß Aspekten der Offenbarung;
4 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 3 nach dem Ausbilden von Kanälen in einer Oberfläche der Komponente – gemäß Aspekten der Offenbarung;
5 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 4 nach dem Ausbilden von Löchern, die die Kanäle mit einem Innenbereich der Komponente verbinden – gemäß Aspekten der Offenbarung;
6 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 4, deren Kanäle mit einem massiven Füllmaterial gefüllt sind – gemäß Aspekten der Offenbarung;
7 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 6 nach dem Aufbringen einer strukturellen Beschichtung auf einer Außenoberfläche der Komponente – gemäß Aspekten der Offenbarung;
8 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 7 nach dem Aufbringen einer Topcoat-Beschichtung – gemäß Aspekten der Offenbarung;
9 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 8 nach dem Ausbilden von Kühllöchern durch die strukturelle Schicht und die Deckschicht – gemäß Aspekten der Offenbarung und
10 ist ein Schnitt des Abschnitts der Heißgaspfadkomponente aus 9 nach dem Entfernen des Füllmaterials aus den Kanälen – gemäß Aspekten der Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen beschrieben. Im Interesse einer kurz gefassten Beschreibung dieser Ausführungsformen sind eventuell nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung erfasst. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Implementierung – wie bei jedem Konstruktions- oder Planungsprojekt – zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen; diese dienen dazu, die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, zum Beispiel, wenn Anlagen- oder geschäftsbezogene Beschränkungen zu berücksichtigen sind, die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Es sollte ebenfalls zur Kenntnis genommen werden, dass derartige Entwicklungsanstrengungen zwar komplex und zeitaufwendig sein können, aber für Durchschnittsfachleute mithilfe dieser Offenbarung ein Routinevorhaben darstellen würden.
Außerdem sollen alle Beispiele oder Ausführungsformen nur die Erläuterung bestimmter Aspekte der Erfindung erleichtern und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken. Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne vom Schutzumfang oder Sinn der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt sind oder beschrieben werden, in Verbindung mit einer weiteren Ausführungsform eine noch andere Ausführungsform ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Änderungen und Variationen abdeckt, die im Schutzumfang der angefügten Ansprüche sowie deren Äquivalenten enthalten sind.
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Turbinenkomponenten und insbesondere Heißgaspfadkomponenten, die mit Kühlmerkmalen wie beispielsweise Mikrokanälen ausgebildet sind, um die Kühlung der entsprechenden Komponenten zu erleichtern. Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen insbesondere Verfahren zum Ausbilden von Mikrokanälen in einer zur Verwendung in einer Turbine bestimmten Heißgaspfadkomponente. Die folgende Erläuterung stellt in Anbetracht dessen einen allgemeinen Überblick über eine repräsentative Turbinenanlage dar, in der ein derartiges Kühlsystem eingesetzt werden könnte. Außerdem wird das Ausbilden von Mikro-Kühlkanälen in geeigneten Komponenten einer derartigen Turbinenanlage erörtert.
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen und zwar zuerst zuerst auf 1, die ein Blockdiagramm einer Turbinenanlage 10 darstellt. Die gezeigte Turbinenanlage 10 umfasst eine Kraftstoffeinspritzdüse 12, eine Kraftstoffzufuhr 14 und eine Brennkammer 16. Wie gezeigt, wird durch die Kraftstoffzufuhr 14 ein Flüssig- und/oder Gaskraftstoff, beispielsweise Erdgas, zur Gasturbinenanlage 10, durch die Kraftstoffeinspritzdüse 12 und in die Brennkammer 16 geleitet. Die Kraftstoffeinspritzdüse 12 ist dafür eingerichtet, den Kraftstoff einzuspritzen und mit verdichteter Luft zu mischen. In der Brennkammer 16 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und verbrannt und anschließend werden heiße, unter Druck stehende Abgase in eine Turbine 18 geleitet. Die Turbine 18 umfasst ein oder mehrere Leiträder mit feststehenden Leitschaufeln und ein oder mehrere Laufräder mit Laufschaufeln, die sich im Verhältnis zu den Leiträdern drehen. Die Abgase passieren die Laufschaufeln der Turbine und treiben so das Laufrad der Turbine an, sich zu drehen. Durch eine Kopplung des Turbinenlaufrads mit einer Welle 19 wird die Drehung der Welle 19 bewirkt, wobei die Welle auch mit mehreren Komponenten in der gesamten Gasturbinenanlage 10 verbunden ist, wie dargestellt. Schließlich können die Abgase aus dem Verbrennungsprozess über einen Abgasauslass 20 aus der Gasturbinenanlage 10 austreten.
Ein Verdichter 22 enthält Laufschaufeln, die starr an einem Laufrad befestigt sind, das durch die Welle 19 dazu angetrieben wird, sich zu drehen. Wenn die Luft die sich drehenden Laufschaufeln durchströmt, steigt der Luftdruck, wodurch die Brennkammer 16 mit ausreichend Luft für eine ordnungsgemäße Verbrennung versorgt wird. Der Verdichter 22 kann über einen Lufteinlass 24 Luft in die Gasturbinenanlage 10 einführen. Die Welle 19 kann weiter mit einer Last 26 verbunden sein, die durch die Drehung der Welle 19 angetrieben werden kann. Die Last 26 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die die Energie der Drehleistung der Gasturbinenanlage 10 nutzen kann, beispielsweise ein Kraftwerk oder eine externe mechanische Last. Die Last 26 kann zum Beispiel ein elektrischer Generator, ein Flugzeugpropeller usw. sein. Durch den Lufteinlass 24 wird Luft 30 mithilfe eines geeigneten Mechanismus, beispielsweise eines Kaltlufteinlasses, in die Gasturbinenanlage 10 gesaugt. Die Luft 30 strömt dann durch die Laufschaufeln des Verdichters 22, der der Brennkammer 16 verdichtete Luft 32 zuführt. Die Kraftstoffeinspritzdüse 12 kann die verdichtete Luft 32 und den Kraftstoff 14 als Kraftstoff-Luft-Gemisch 34 in die Brennkammer 16 einspritzen. Alternativ können die verdichtete Luft 32 und der Kraftstoff 14 direkt in die Brennkammer eingespritzt werden, um dort gemischt und verbrannt zu werden.
Wie aus der vorangehenden Erörterung hervorgeht, kann die Turbinenanlage 10 verschiedene Komponenten umfassen, die sich im Pfad der durch den Verbrennungsprozess erzeugten heißen Gase befinden, d. h. Heißgaspfadkomponenten. Als Heißgaspfadkomponente wird in diesem Dokument jede Komponente der Anlage 10 bezeichnet, die zumindest zum Teil einem durch die Turbinenanlage 10 strömenden Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Laufschaufelanordnungen, Leitschaufelanordnungen, Deckbandanordnungen, Übergangsstücke, Halteringe und Verdichterauslasskomponenten sind beispielsweise alle Heißgaspfadkomponenten. Es sollte allerdings beachtet werden, dass die Verwendung des Begriffs „Heißgaspfadkomponente” in der vorliegenden Offenbarung nicht auf die zuvor genannten Beispiele beschränkt ist, sondern sich auf jede Komponente beziehen kann, die zumindest zum Teil einem Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Es sollte weiter beachtet werden, dass die Heißgaspfadkomponenten der vorliegenden Offenbarung nicht nur Komponenten von Gasturbinenanlagen sein können, sondern jede Maschine oder Maschinenkomponente, die Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sein könnte.
Wenn eine Heißgaspfadkomponente einem Heißgasstrom ausgesetzt ist, wird die Heißgaspfadkomponente durch den Heißgasstrom erwärmt und kann eine Temperatur erreichen, bei der die Heißgaspfadkomponente versagt oder ihre Leistung sich verschlechtert. Damit die Turbinenanlage 10 mit einem Heißgasstrom hoher Temperatur betrieben werden kann und so Wirkungsgrad und Leistung der Turbinenanlage 10 gesteigert werden, kann ein Kühlsystem für die Heißgaspfadkomponenten eingesetzt werden.
Das Kühlsystem der vorliegenden Offenbarung enthält im Allgemeinen eine Reihe von kleinen Kanälen bzw. von Mikrokanälen, die in der Oberfläche einiger oder aller Heißgaspfadkomponenten der Turbinenanlage 10 ausgebildet sind. Die Heißgaspfadkomponente kann auch mit einer oder mehreren Deckschichten – zum Beispiel strukturellen Beschichtungen und/oder Topcoat-Beschichtungen – versehen sein. Ein Kühlfluid kann den Kanälen aus einem Plenum zugeführt werden, und das Kühlfluid kann durch die Kanäle strömen und die Deckschichten, d. h. die Außenschichten der Komponente, kühlen. Wie hier erörtert, kann ein derartiger Ansatz angepasst werden, um eine höhere Kühldichte (beispielsweise pro Einheit des Oberflächenbereichs oder Volumens) oder Wirksamkeit der Kühlung zu erzielen als andere Ansätze.
Unter Berücksichtigung dessen zeigt 2 ein Verfahren 50 zum Ausbilden von Komponenten zur Verwendung in einem Heißgaspfad – gemäß dem vorliegenden Ansatz. Bei diesem Beispiel wird zu Anfang ein Teil 54 gegossen (Block 52), in dem Mikrokanäle ausgebildet werden sollen. Das gegossene Teil 54 – beispielsweise ein hohler Holm – kann zum Beispiel ohne komplexen Innenbereich und ohne äußere Kanäle ausgebildet werden. 3 zeigt einen Abschnitt eines gegossenen Teils 54 mit einer Substratschicht 100, bei der eine Oberfläche 102 die äußere oder nach außen gerichtete Oberfläche 54 des Teils und die entgegengesetzte Oberfläche 104 eine innere oder nach innen gerichtete Oberfläche des Teils 54 ist.
Das Substrat 100 wird typischerweise vor dem Ausbilden der Kanäle 110 in der Außenoberfläche 102 des Substrats 110 gegossen. Wie in dem gemeinsam zugeteilten US-Patent Nr. 5626462 erörtert wird, das durch Bezugnahme vollumfänglich und für alle Zwecke in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist, kann das Substrat 100 aus jedem geeigneten Material ausgebildet sein. Abhängig von der beabsichtigten Verwendung des Teils 54, könnte dies Superlegierungen auf Nickel-, Cobalt- und Eisenbasis umfassen. Die Superlegierungen auf Nickelbasis können diejenigen sein, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthalten, beispielsweise diejenigen Superlegierungen auf Nickelbasis, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthalten und bei denen die γ'-Phase zumindest 40 Volumenprozent der Superlegierung ausmacht. Derartige Legierungen sind bekanntermaßen aufgrund einer Kombination wünschenswerter Eigenschaften vorteilhaft, darunter Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit. Das Substratmaterial kann auch aus einer zwischenmetallischen NiAl-Legierung bestehen, da diese Legierungen bekanntermaßen über eine Kombination überlegener Eigenschaften verfügen – darunter Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit – die vorteilhaft bei Turbinenanwendungen in Flugzeugen sind. Im Hinblick auf Legierungen auf Niobbasis können beschichtete Legierungen auf Niobbasis mit überragender Oxidationsbeständigkeit verwendet werden, beispielsweise NbTi-Legierungen, und insbesondere diejenigen 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 Atomprozenten enthalten. Das Substratmaterial kann außerdem aus einer Legierung auf Niobbasis bestehen, die zumindest eine sekundäre Phase enthält, beispielsweise eine Nb enthaltende intermetallische Verbindung, ein Nb enthaltendes Carbid oder ein Nb enthaltendes Borid. Derartige Legierungen sind insofern mit einem Verbundmaterial vergleichbar, als sie eine duktile Phase (d. h. die Legierung auf Niobbasis) und eine Verstärkungsphase (d. h. eine Nb enthaltende intermetallische Verbindung, ein Nb enthaltendes Carbid oder ein Nb enthaltendes Borid) enthalten. Es sollte allerdings beachtet werden, dass das Komponenten-Substrat 100 der vorliegenden Offenbarung nicht auf die zuvor genannten Materialien beschränkt ist, sondern jedes Material sein kann, das bei einer beliebigen Heißgaspfadkomponente verwendet wird.
Die 2 und 4 zeigen, dass Kanäle 110 (z. B. Mikrokanäle) in der Außenoberfläche 102 des Teils 54 ausgebildet werden (Block 56). Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Kanäle 110 so konstruiert oder gestaltet, dass ein Kühlfluid durch die Kanäle 110 strömen kann. Der Strom des Kühlfluids kann auf diese Weise benachbarte oder in der Nähe liegende Bereiche des Teils 54 durch Konvektionskühlung kühlen, zum Beispiel durch Übertragung von Wärme aus dem Substrat 100 oder einer oder mehreren Schichten, die auf der Außenoberfläche 102 des Substrats 100 (nachfolgend ausführlicher erörtert) angeordnet sind, auf das Kuhlmedium.
Die Kanäle 110 können auf von einem programmierten oder anderweitig automatisierten Prozess (zum Beispiel ein robotisch gesteuerter Prozess) gelenkte oder gesteuerte Weise ausgebildet bzw. maschinell hergestellt werden, damit die gewünschte Größe, Platzierung und/oder Gestaltung der Kanäle 110 in der Außenoberfläche 102 erreicht wird. Die Kanäle 110 können beispielsweise in der Außenoberfläche 102 mithilfe von Laserbearbeitung (z. B. Laserbohren), Bearbeiten mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl (z. B. mit einem abrasiven Mikrowasserstrahl (AμWJ)), elektrochemischer Bearbeitung (ECM), elektrochemisches Senken (Tauch-ECM), Funkenerodieren (EDM), Funkenerodieren mit einer Drehelektrode (Dreh-EDM) oder einem beliebigen anderen Verfahren ausgebildet bzw. maschinell hergestellt werden, das zur Herstellung von Kanälen der richtigen Größe und mit den richtigen Toleranzen geeignet ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Tiefe der Kanäle 110 in einem Bereich von circa 0,2 mm bis circa 2 mm liegen, beispielsweise zwischen circa 0,5 mm bis circa 1 mm. Weiter kann bei bestimmten Ausführungsformen die Breite der Kanäle 110 in einem Bereich von circa 0,2 mm bis circa 2 mm liegen, beispielsweise zwischen circa 0,5 mm bis circa 1 mm. Die Breiten und/oder Tiefen können weiter bei einem Kanal 110 im Wesentlichen konstant sein oder über den Verlauf des Kanals 110 variieren (zum Beispiel zunehmen, abnehmen, sich verjüngen usw.)
Bei einer Implementierung können zum Beispiel die Breite und/oder Tiefe eines Kanals 110 über die Länge des Kanals 110 in Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem Kanal 110 abnehmen. Alternativ können zum Beispiel die Breite und/oder Tiefe eines Kanals 110 über die Länge des Kanals 110 in Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem Kanal 110 zunehmen. Die Breite und/oder Tiefe jedes Kanals 110 können weiter unabhängig von anderen Kanälen 110 variieren, d. h., einige Kanäle 110 können eine zunehmende Breite und/oder Tiefe in Strömungsrichtung des Kühlmediums aufweisen, während diese bei anderen abnehmen können; außerdem kann zusätzlich oder alternativ das Ausmaß der Zu- oder Abnahme von Kanal zu Kanal variieren. Bei anderen Ausführungsformen können einige oder alle der Kanäle 110 im Wesentlichen konstante Breiten und/oder Tiefen aufweisen.
Die Querschnitte der Kanäle 110 können außerdem jede geeignete geometrische Form aufweisen und beispielsweise ein Quadrat, ein Rechteck, ein Oval, ein Dreieck oder eine beliebige andere geometrische Form sein, die den Strom eines Kühlmediums durch den Kanal 110 vereinfacht. Es sollte beachtet werden, dass verschiedene Kanäle 110 Querschnitte einer bestimmten geometrischen Form aufweisen können, während die Querschnitte anderer Kanäle 110 eine andere geometrische Form haben. Außerdem kann bei bestimmten Ausführungsformen die Oberfläche (d. h. die Seitenwände und/oder der Boden) eines Kanals 110 eine im Wesentlichen ebene Oberfläche sein, obwohl bei anderen Ausführungsformen die gesamte Kanaloberfläche oder Teile von dieser Vorsprünge, Rücksprünge, Oberflächentextur oder andere Merkmale aufweisen kann, die bewirken, dass die Oberfläche des Kanals nicht eben ist. Oberflächenmerkmale, die auf der Oberfläche eines Kanals 110 vorhanden sein können, könnten unter anderem folgende umfassen: lamellenförmige Vorsprünge, zylinderförmige Vorsprünge, Turbulatoren oder eine beliebige Kombination von diesen, wie auch jede andere geeignete geometrische Form. Es sollte beachtet werden, dass die Abmessungen jeglicher vorhandener Oberflächenmerkmale so ausgewählt sein können, dass durch sie die durch den jeweiligen Kanal 110 bewirkte Kühlung optimiert wird.
Die Kanäle 110 können weiter im Wesentlichen gerade oder im Wesentlichen gekrümmte oder serpentinenförmige Kanäle sein. Zum Beispiel können alle oder ein Teil der Kanäle 110 bezogen auf die Außenoberfläche 102 des Substrats 100 als komplexe Kurven oder als Teil einer dreidimensionalen Gestaltung vorgesehen sein. Die Gestaltung der Kanäle 54 kann im Hinblick auf das hergestellte Teil 54 insofern spezifisch sein, als bestimmte Abschnitte des Teils 54 eine höhere Dichte von Kühlkanälen 110 aufweisen als andere. Das heißt, die Gestaltung der Kanäle kann auf das erwartete Wärmeprofil des Teils 54 im Betrieb zugeschnitten sein. So können Spitzen, Plattformen und Abströmkanten von Laufschaufeln mit einer größeren Dichte von Kühlkanälen 110 hergestellt werden, als andere Abschnitte einer Laufschaufel oder anderen Komponente, die im Allgemeinen geringerer Wärme ausgesetzt sind. Auf diese Weise könnte Kühlmittel nur dort eingesetzt werden, wo es benötigt wird und/oder der Kühlstrom könnte im Vergleich zu anderen Kühlungsansätzen reduziert werden. Die Kanäle 110 können so ausgerichtet sein, dass das Kühlmittel in Bezug auf den Heißgasstrom in einer beliebigen Richtung durch die Kanäle 110 strömt. Beispielsweise kann das Kühlmittel in Bezug auf den Heißgasstrom durch einige oder alle Kanäle 110 im Wesentlichen in Stromauf-, Stromab- und/oder orthogonaler Richtung oder in jede anderen geeigneten Richtung strömen.
Bei einigen Ausführungsformen kann jeder der Kanäle 110 ein einzelner, diskreter Kanal sein. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch jeder Kanal 110 oder ein beliebiger Teil der Kanäle 110 von einzelnen Kanälen 110 abzweigen und mehrere Kanalarme 110 bilden. Es sollte weiter beachtet werden, dass die Kanäle 110 bei einigen Ausführungsformen um den gesamten Umfang einer Heißgaspfadkomponente (d. h. Teil 54) oder nur um Teile des Umfangs einer Heißgaspfadkomponente herum verlaufen können. Weiter sollte beachtet werden, dass im Allgemeinen kein Kanal 110 einen anderen Kanal 110 kreuzt.
Wie in 2 und 5 gezeigt, können bei Block 58 ein oder mehrere Löcher 116 gestoßen oder gebohrt werden, um einige oder alle Kanäle 110 mit einem Innenbereich 118 zu verbinden, der durch das Teil 54 definiert wird, beispielsweise der Innenraum eines Holms. Wie dargestellt, können die Löcher 116 im Allgemeinen durch die Substratschicht 100 verlaufen und sowohl die Kanäle 110 strömungstechnisch mit dem Innenbereich 118 verbinden als auch einige oder alle der Kanäle 110 über den Innenraum 118 miteinander verbinden. Jeder Kanal 110 kann zum Beispiel mit zumindest einem der Löcher 116 strömungsverbunden sein. Sobald die Herstellung des Teils 54 abgeschlossen ist und die Kanäle 110 mit einer strukturellen Beschichtung und/oder anderen Schichten (wie im Folgenden erörtert) bedeckt sind, kann das Kühlmedium durch die Löcher 116 über den Innenraum 118 zu den Kanälen 110 strömen. Sobald eine strukturelle Beschichtung über den jeweiligen Kanälen 110 an ihrem Platz ist, kann beispielsweise mithilfe der entsprechenden Strömungsverbindung des Innenraums 118 mit einem oder mehreren Kanälen 110 über entsprechende Löcher 116 zumindest ein Kühlkreislauf in der Oberfläche des Teils 54 definiert oder dieser bereitgestellt werden. Durch einen durch diese Merkmale definierten Kühlkreislauf kann Kühlmittel strömen, und zwar mit einem Druck, der im Allgemeinen höher ist als der Druck in den Löchern 116 und den Kanälen 110. Dieses Druckdifferenzial kann bewirken, dass ein in dem Kühlkreislauf enthaltener Teil des Kühlmittels in und durch die Löcher 116 und aus den Löchern 116 in und durch die Kanäle 110 strömt. Das Kühlmittel kann dann durch ein oder mehrere Austrittslöcher (z. B. die Kühllöcher 140) aus den Kanälen 110 austreten, wodurch der Strömungskreislauf aus dem Innenbereich des Teils 54 zum Außenbereich abgeschlossen wird.
Einige oder alle Löcher 116 können darüber hinaus dafür eingerichtet sein, zur Prallkühlung einer strukturellen Beschichtung 130 und/oder einer Topcoat-Beschichtung 134 zu dienen, die/der wie nachfolgend beschrieben über den entsprechenden Kanälen 100 angeordnet ist. Die Löcher 116 können zum Beispiel bezogen auf die Außenoberfläche 102 und/oder die strukturelle Beschichtung 130 und/oder die Topcoat-Beschichtung 134 im Allgemeinen vertikal im Innern des Substrats 100 ausgerichtet sein. Wenn das Kühlmittel durch die Löcher 116 strömt und den Kanälen 110 zugeführt wird, kann das Kühlmittel daher aus den Löchern 116 austreten und auf der strukturellen Beschichtung 130 und/oder der Topcoat-Beschichtung 134 aufprallen und so eine oder beide dieser Schichten durch Prallkühlung kühlen. Nachdem das Kühlmittel durch die Kanäle 110 geströmt ist, kann das Kühlmittel direkt aus den Kanälen 110 (beispielsweise an einer Spitze oder Kante des Teils 54) und/oder durch Austrittspassagen (z. B. die Kühllöcher 140) durch die Schichten, die die Kanäle 110 bedecken, ausgelassen werden. Es sollte beachtet werden, dass jeder Kanal 110 mit einer oder mehreren Austrittspassagen verbunden sein kann. Es sollte weiter beachtet werden, dass die Austrittspassagen bezogen auf die Kanäle 110 in einem beliebigen Winkel ausgerichtet sein können.
Wie in den 2 und 6 gezeigt, kann jeder Kanal 110 mit einem oder mehreren massiven Füllmaterialien 120 gefüllt werden (Block 60), die in einem nachfolgenden Schritt chemisch entfernt werden können, beispielsweise durch Auslaugen, Auflösen, Schmelzen, Oxidieren, Ätzen usw. Im Fall von massiven Füllmaterialien aus Molybdän und Wolfram verfügen diese Materialien über Oxide mit hohem Dampfdruck, die bei Erwärmung über 700°C sublimieren. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das Füllmaterial 120 ein massiver Draht, der aus einem Material aus elementarem oder Legierungsmetall ausgebildet ist. Bei einer Ausführungsform ist der Füllstoff ein verformbares Material, beispielsweise ein geglühter Metalldraht, der verformt wird und sich der Form des Kanals 110 anpasst, wenn er in den Kanal 110 gedrückt wird. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „Draht” hier in einer Bedeutung verwendet wird, die ein massives, durchgehendes Materialstück bezeichnet, das sich der Querschnittsform der jeweiligen Kanäle 110 anpasst oder mechanisch verformt werden kann, um an die Querschnittsform der Kanäle angepasst zu werden. Ein Draht gemäß der hier verwendeten Bedeutung muss daher keinen kreisförmigen Querschnitt besitzen, sondern kann stattdessen einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt oder eine beliebige andere geometrische Querschnittsform aufweisen, die es ermöglicht, dass der Draht in die entsprechenden Kanäle 110 passt und diese füllt. Bei anderen Ausführungsformen kann das Metall- oder Metalllegierungsmaterial in Form eines Pulvers vorliegen, das in den Kanal 110 gedrückt wird und sich dem Kanal 110 so anpasst, dass es den Kanal 110 so wie bei den bereits erörterten Drahtausführungsformen im Wesentlichen füllt. Bei einer solchen Ausführungsform wird das Metall- oder Metalllegierungspulver ohne ein Binde- oder Trägermittel verwendet. Bei einer Implementierung werden der Metall- oder Metalllegierungsdraht oder das Metall- oder Metalllegierungspulver in die Kanäle 110 gedrückt und füllen die Kanäle 110 im Wesentlichen oder vollständig. Jeder Teil der massiven Metallfüllung, der aus dem Kanal 110 hervorsteht (z. B. durch zu große Füllmenge), kann wegpoliert oder durch Bearbeitung entfernt werden, bevor die Beschichtungen wie nachfolgend erörtert aufgebracht werden, so dass die freiliegende Oberfläche des Teils 54 und das Füllmaterial 120 eine durchgehende, ebene Oberfläche bilden, auf die nachfolgende Schichten und Beschichtungen aufgebracht werden können. Geeignete Materialien, die zum Ausbilden der massiven Metallfüllung verwendet werden können, sind unter anderem: Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Nickel, Monel, Nichrom usw.
Nach dem Einbringen des Füllmaterials 120 in die Kanäle 110, kann die Außenoberfläche 102 des Substrats 100 gereinigt und für die Beschichtung vorbereitet werden, beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung, Sandstrahlen, Waschen und/oder Polieren der Außenoberfläche 102, eingeschlossen die Teile des Füllmaterials 120, die sich jenseits der Außenoberfläche 102 bilden bzw. über diese hinausreichen.
Sobald die Außenoberfläche 102 des Substrats 100 ausreichend gereinigt und vorbereitet ist, können eine oder mehrere Oberflächenbeschichtungen auf die Außenoberfläche 102 und über dem Füllmaterial 120 aufgebracht werden (siehe 2, Block 64), wie in 7 und 8 gezeigt. Die Beschichtung 130 kann jedes geeignete Material sein und wird auf die Außenoberfläche 102 des Substrats 100 gebondet. Bei bestimmten Gestaltungen liegt die Dicke der Beschichtung 130 im Bereich von 0,1–2,0 Millimeter, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 1 Millimeter oder bei Industriebauteilen im Bereich von 0,1 bis 0,5 Millimeter. Bei Flugzeugbauteilen beträgt diese Spanne typischerweise 0,1 bis 0,25 Millimeter. Abhängig von den Anforderungen an ein bestimmtes Teil 54, können jedoch auch andere Dicken verwendet werden.
Die Beschichtung 130 kann mithilfe verschiedener Verfahren aufgebracht werden. Bei bestimmten Verfahren wird die Beschichtung 130 auf zumindest einen Teil der Außenoberfläche 102 des Substrats 100 mithilfe von Ionen-Plasma-Beschichtung aufgebracht. Eine beispielhafte Vorrichtung und ein beispielhaftes Verfahren zur kathodischen Ionen-Plasma-Abscheidung werden in der gemeinsam zugeteilten und in den USA veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 20080138529 von Weaver et al „Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition” zur Verfügung gestellt, die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich und für alle Zwecke einbezogen ist. Kurz zusammengefasst, umfasst die Ionen-Plasma-Beschichtung das Platzieren einer Kathode aus Beschichtungsmaterial in einer Vakuumumgebung innerhalb einer Vakuumkammer, das Bereitstellen eines Substrats 100 innerhalb der Vakuumumgebung, das Anlegen einer Spannung an die Kathode, um einen Vakuumbogen auf einer Oberfläche der Kathode zu erzeugen, was zur Erosion oder Verdampfung von Beschichtungsmaterial von der Kathodenoberfläche führt, sowie das Abscheiden des Beschichtungsmaterials von der Kathode auf der Substratoberfläche 102.
Bei einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst das Ionen-Plasma-Beschichtungsverfahren ein Plasma-Dampfphasenabscheidungsverfahren. Nicht einschränkende Beispiele für die Beschichtung 130 umfassen Metallbeschichtungen, Haftbeschichtungen sowie thermische Schutzschichten, wie nachfolgend mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5626462 ausführlicher erörtert wird. Bei bestimmten Heißgaspfadkomponenten 54 umfasst die Beschichtung 130 eine Superlegierung. Wird zum Beispiel das Substrat 100 mithilfe einer Superlegierung auf Nickelbasis ausgebildet, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthält, kann die Beschichtung 130 dieselben Materialien enthalten, wie nachfolgend mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5626462 ausführlicher erörtert wird. Bei anderen Verfahrensgestaltungen wird die Beschichtung 130 durch thermisches Spritzen auf zumindest einen Teil der Außenoberfläche 102 des Substrats 100 aufgebracht. Der Prozess des thermischen Spritzens kann beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder Hochgeschwindigkeitsluftspritzen (HVAF) umfassen. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel wird eine NiCrAlY-Beschichtung durch HVOF oder HVAF aufgebracht.
Bei anderen beispielhaften Verfahrensgestaltungen kann ein Niederdruckplasmaspritzverfahren (LPPS) eingesetzt werden.
Allgemeiner ausgedrückt und wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, kann das zum Ausbilden der Beschichtung 130 verwendete Material jedes beliebige Material sein. Im Fall einer gekühlten Turbinenkomponente 130 sollte das Material der Beschichtung 130 Temperaturen von circa 1150°C widerstehen können, die thermische Schutzschicht (WDS) Temperaturen bis zu circa 1320°C. Die Beschichtung 130 ist typischerweise kompatibel mit der Außenoberfläche 102 des Substrats 100 und dafür angepasst, auf diese gebondet zu werden. Diese Verbindung kann beim Aufbringen der Beschichtung 130 auf das Substrat 100 ausgebildet werden. Die Verbindung kann im Verlauf der Beschichtung durch viele Parameter beeinflusst werden, darunter das Beschichtungsverfahren, die Temperatur des Substrats 100 beim Beschichten, ob die beschichtete Oberfläche im Verhältnis zur Beschichtungsquelle geneigt ist, sowie andere Parameter. Die Verbindung kann außerdem durch eine nachfolgende Wärmebehandlung oder andere Bearbeitung beeinflusst werden. Darüber hinaus können Oberflächenmorphologie, chemische Zusammensetzung und Reinheit des Substrats 100 vor der Beschichtung einen Einfluss darauf haben, in welchem Ausmaß eine metallurgische Verbindung eintritt. Neben dem Ausbilden einer starken metallurgischen Verbindung zwischen der Beschichtung 130 und dem Substrat 100 ist es wünschenswert, dass diese Verbindung im Lauf der Zeit und bei hohen Temperaturen im Hinblick auf Phasenänderungen und Interdiffusion beständig bleibt, wie hier beschrieben. Im Hinblick auf die Kompatibilität bleibt die Verbindung zwischen diesen Elementen bevorzugt thermodynamisch stabil, so dass Festigkeit und Duktilität der Verbindung sich im Lauf der Zeit (z. B. bis zu 3 Jahre lang) nicht wesentlich durch Interdiffusion oder andere Prozesse verschlechtern, selbst wenn Schaufelblatt-Stützwände und Schaufelblatt-Außenhaut aus Legierungen auf Nickelbasis hohen Temperaturen in der Größenordnung von 1150°C ausgesetzt sind oder – im Fall der Verwendung temperaturbeständigerer Materialien wie Legierungen auf Niobbasis noch höheren Temperaturen in der Größenordnung von 1300°C ausgesetzt sind.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert wird, enthalten, wenn das Material des Substrats 100 eine Superlegierung auf Nickelbasis ist, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthält oder eine intermetallische NiAl-Legierung ist, die Materialien, aus denen die Beschichtung 130 ausgebildet wird, dieselben Materialien. Eine derartige Kombination von Materialien der Beschichtung 130 und des Substrats 100 ist geeignet für Anwendungen, bei denen beispielsweise die Maximaltemperaturen der Betriebsumgebung ähnlich denen der vorhandenen Maschinen sind (z. B. unterhalb von 1650°C). Wenn das Material des Substrats 100 eine Legierung auf Niobbasis ist, können die Materialien der Beschichtung 130 ebenfalls eine Legierung auf Niobbasis enthalten, eingeschlossen dieselbe Legierung auf Niobbasis.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, umfasst für andere Anwendungen – beispielsweise Anwendungen, die Temperatur-, Umwelt- oder andere Beschränkungen mit sich bringen, die die Verwendung einer Beschichtung 130 aus einer Metalllegierung als nicht wünschenswert erscheinen lassen – die Beschichtung 130 bevorzugt Materialien mit Eigenschaften, die denen der Metalllegierungen allein überlegen sind, beispielsweise Verbundwerkstoffe in der allgemeinen Form eines Verbundwerkstoffs aus intermetallischer Verbindung (I_s)/Metalllegierung (M) oder intermetallischer Verbindung (I_s)/intermetallischer Verbindung (I_M). Die Metalllegierung M kann dieselbe Legierung sein, die bei bestimmten Ausführungsformen auch für eine Schaufelblatt-Stützwand verwendet wird, kann aber auch ein anderes Material sein; dies hängt von den Anforderungen an das Teil 54 ab. Diese Verbundwerkstoffe sind sich im Allgemeinen insofern ähnlich, als sie eine Kombination aus einer relativ duktileren Phase M oder I_M und einer relativ weniger duktilen Phase I_s darstellen, wobei diese Kombination dazu dient, eine Beschichtung 130 herzustellen, die die Vorzüge beider Materialien in sich vereint. Um einen gelungenen Verbundwerkstoff zu erhalten, sollten die beiden Materialien miteinander kompatibel sein. Der Begriff „kompatibel” bedeutet hier und bezogen auf Verbundwerkstoffe, dass die Materialien in der Lage sind, die gewünschte anfängliche Phasenverteilung auszubilden und diese Phasenverteilung für einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten (wie bereits beschrieben), und zwar bei Gebrauchstemperaturen von 1150°C und höher, ohne metallurgische Reaktionen zu zeigen, die die Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und andere wichtige Eigenschaften des Verbundwerkstoffs wesentlich beeinträchtigen würden. Eine solche Kompatibilität kann auch als Phasenstabilität ausgedrückt werden. Das bedeutet, die separaten Phasen des Verbundwerkstoffs sind beim Betrieb bei Gebrauchstemperatur über einen längeren Zeitraum stabil, so dass diese Phasen separat und verschiedenartig bleiben, ihre jeweilige Identität und Eigenschaften beibehalten und nicht aufgrund von Interdiffusion zu einer einzigen Phase oder mehreren verschiedenen Phasen werden. Kompatibilität kann ebenfalls als morphologische Stabilität der Phasengrenze zwischen den I_S/M- oder I_S/I_M-Schichten des Verbundwerkstoffs ausgedrückt werden. Eine solche Instabilität kann sich in der Form von Wellen manifestieren, die die Kontinuität beider Schichten unterbrechen. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass in einer gegebenen Beschichtung 130 auch mehrere I_S/M- oder I_S/I_M-Verbundwerkstoffe verwendet werden können, und dass derartige Verbundwerkstoffe nicht auf Kombinationen von zwei Materialien oder zwei Phasen beschränkt sind. Die Verwendung solcher Kombinationen dient hier nur zur Veranschaulichung und ist hinsichtlich der potenziellen Kombinationen weder umfassend noch einschränkend. Daher sind die Kombinationen M/I_M/I_S, M/I_S1/I_S2 (wobei I_S2 und I_S1 unterschiedliche Materialien sind) sowie zahlreiche andere Kombinationen möglich.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert:
Wenn das Substrat 100 eine Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ'-Phasen enthält, kann I_S die intermetallischen Verbindungen und Zwischenphasen Ni₃ [Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃Si, [Cr, Mo]x Si, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ enthalten und M kann eine Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ'-Phasen enthalten. In Superlegierungen auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ'-Phasen sind beinahe immer die Elemente Co, Cr, Al, C und B als Legierungsbestandteile enthalten, wie auch unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr. Daher entsprechen die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_s-Materialien dem oder den Material(ien), die man typischerweise in Superlegierungen auf Nickelbasis findet, die verwendet werden können, um das Substrat 100 auszubilden, und die daher so angepasst werden können, dass sie die hier beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen. Ein weiteres Beispiel: Wenn das Substrat 100 eine intermetallische Ni-Al-Legierung enthält, kann I_S die intermetallischen Verbindungen und Zwischenphasen Ni₃[Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃Si, [Cr, Mo]X Si, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ enthalten und I_M kann eine intermetallische Ni₃Al-Legierung enthalten. Bei intermetallischen NiAl-Legierungen sind also typischerweise eines oder mehrere der Elemente Co, Cr, C und B als Legierungsbestandteile vorhanden, wie auch unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr. Daher entsprechen die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_S-Materialien einem oder mehreren Material(ien), die man typischerweise in NiAl-Legierungen findet, die verwendet werden können, um das Substrat 100 auszubilden, und die daher so angepasst werden können, dass sie die hier beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert:
Wenn das Substrat 100 eine Legierung auf Niob-Basis enthält, eingeschlossen eine Legierung auf Niob-Basis mit mindestens einer Sekundärphase, kann I_s eine Niob enthaltende intermetallische Verbindung, ein Niob enthaltendes Carbid oder ein Niob enthaltendes Borid enthalten und M kann eine Legierung auf Niobbasis enthalten. Ein derartiger I_S/M-Verbundwerkstoff kann eine M-Phase einer Ti enthaltenden Legierung auf Niobbasis enthalten, so dass das Atomverhältnis des Ti zum Nb (Ti/Nb) der Legierung im Bereich von 0,2–1 liegt, und kann eine I_S-Phase enthalten, die eine aus Siliciden auf Niobbasis, Cr₂[Nb, Ti, Hf] und Aluminiden auf Niobbasis bestehende Gruppe enthält, wobei Nb – unter Nb, Ti und Hf – auf atomarer Basis der primäre Bestandteil des Cr₂[Nb, Ti, Hf] ist. Alle diese Verbindungen haben Nb als gemeinsamen Bestandteil und können daher so angepasst werden, dass sie die im US-Patent Nr. 5626462 beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen.
Bei bestimmten Ausführungsformen, wie der in 8 dargestellten Ausführungsform, kann eine Topcoat-Beschichtung 134, zum Beispiel eine Keramikbeschichtung oder eine Wärmedämmschicht (WDS), über der strukturellen Beschichtung 130 aufgebracht werden. Die Topcoat-Beschichtung 134 kann beispielsweise aus Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid bestehen und mithilfe von physikalischer Gasphasenabscheidung oder einem thermischen Spritzverfahren auf die strukturelle Schicht 130 aufgebracht werden. Die Topcoat-Beschichtung 134 kann alternativ aus Keramik bestehen, zum Beispiel aus einer dünnen Zirkoniumdioxidschicht, modifiziert durch andere feuerfeste Oxide, beispielsweise aus Elementen der Gruppen IV, V und VI gebildete Oxide, oder durch Elemente der Lanthanidreihe wie La, Nd, Gd, Yb und ähnliche modifizierte Oxide. Daher kann die Topcoat-Beschichtung 134, wenn vorhanden, einen gewissen thermischen Nutzen für das Teil 54 und/oder gewisse Vorteile für Oberfläche oder Textur bedeuten.
Wie in den 2 und 9 gezeigt, werden bei bestimmten Implementierungen – sobald alle strukturellen Beschichtungen 130 und/oder Topcoat-Beschichtungen 134 aufgebracht sind – ein oder mehrere Kühllöcher 140 gebohrt (Block 66) oder durch die strukturellen Beschichtungen 130 und/oder Topcoat-Beschichtung 134 gestanzt, um einen oder mehrere der gefüllten Kanäle 110 zu erreichen. Die Kühllöcher 140 können als Auslassöffnungen oder -löcher dienen, wenn das Teil 54 verwendet wird, so dass das Kühlmittel durch die Kanäle 110 zirkulieren, aus den Kanälen 110 und dem Teil 54 austreten und im Strom erwärmten Gases oder auf der Oberfläche des Teils – als Filmkühlung – zerstäubt werden kann. Es ist nachvollziehbar, dass die Kühllöcher 140 jeden beliebigen Querschnitt (z. B. kreisförmig, quadratisch, rechteckig, dreieckig, oval usw.) sowie jede beliebige Größe und Ausrichtung aufweisen können, die dafür geeignet sind, dass das Kühlmittel aus den Kanälen 110 austritt.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Füllmaterial 120 chemisch aus den Kanälen 110 entfernt (2, Block 68), beispielsweise durch Auslaugen, Auflösen, Schmelzen, Oxidieren, Ätzen usw. Bei einer Ausführungsform kann das Füllmaterial 120 zum Beispiel durch Auslaugen oder Auflösen mithilfe einer geeigneten Lösung oder Verbindung aus den Kanälen 110 entfernt werden. Bei einer Ausführungsform, bei der das Füllmaterial 120 eine massive Metallfüllung ist – zum Beispiel ein massiver Kupferdraht – wird die massive Metallfüllung mithilfe einer Spülung mit konzentrierter Salpetersäure (z. B. 67% 50%, 40% usw.) entfernt. Bei anderen Ausführungsformen kann konzentrierte Natronlauge zum Auflösen der massiven Metallfüllung verwendet werden. Die Überreste des Füllmaterials können über die Kühllöcher 140 und/oder den Innenraum 118 aus dem Teil 54 austreten, die beide mit den Kanälen 110 strömungsverbunden sind. Nach dem Entfernen des Füllmaterials 120 sind die Kanäle 110 frei und werden durch den Boden und die Seitenwände des Kanals, wie auch die Innenoberfläche der strukturellen Schicht 130 (wenn vorhanden) definiert, wie in 10 gezeigt.
Wie in 2 gezeigt, kann bei der dargestellten Ausführungsform eine Beschichtung auf die Innenoberflächen der Kanäle 110 aufgebracht werden (Block 70), um die Kanäle 110 bei Gebrauch zu schützen, beispielsweise vor Hitze und/oder den Auswirkungen des durch die Kanäle 110 strömenden Kühlmittels. Bei einer derartigen Ausführungsform kann zum Schutz der Kanaloberflächen und/oder der Außenoberfläche 102 des Substrats 100 eine oxidationsbeständige Beschichtung auf die Innenoberflächen der Kanäle 110 aufgebracht werden. Bei einer Implementierung kann beispielsweise die Innenoberfläche der Kanäle 110 beschichtet oder modifiziert werden, um ihre Oxidationsbeständigkeit und/oder Heißkorrosionsbeständigkeit zu verbessern. Geeignete Verfahren zum Aufbringen einer oxidationsbeständigen Beschichtung auf die Innenoberfläche der Kanäle 110 umfassen Dampfphasen- oder Slurry-Chromieren, Dampfphasen-Aluminieren, Pulveraluminieren, Aluminieren durch chemische Gasphasenabscheidung, Slurry-Aluminieren oder Overlay-Beschichtung durch Verdampfung, Sputtern, Ionen-Plasma-Beschichtung, thermisches Spritzen und/oder kaltes Spritzen. Zu den Beispielen für oxidationsbeständige Overlay-Beschichtungen gehören Materialien aus der MCrAlY-Familie (M = {Ni, Co, Fe}), wie auch aus der NiAlX-Familie (X = (Cr, Hf, Zr, Y, La, Si, Pt, Pd}) ausgewählte Materialien. Bei einer solchen Ausführungsform kann die oxidationsbeständige Beschichtung für geeignete Oberflächen auch als Wärmedämmschicht-Haftbeschichtung dienen.
Anschließend kann das Teil 54 wärmebehandelt werden (Block 72), um die verschiedenen auf das Teil 54 aufgebrachten Schichten zu verfestigen und/oder abschließend zu behandeln. Nach der Wärmebehandlung kann das endgültige Teil im Rahmen eines Qualitätsprüfungsverfahrens überprüft werden, ehe es in der Baugruppe einer Turbinenanlage 10 verwendet wird, wie bereits erörtert.
Durch die Verwendung von Kanälen 110 und Löchern 116, die sich an oder nahe der Oberfläche einer Heißgaskomponente befinden, wie hier beschrieben, sorgt das Kühlsystem der vorliegenden Offenbarung für die Kühlung einer Heißgaspfadkomponente – beispielsweise Teil 54 – bei einem hohen Wärmestrom und einem relativ gleichmäßigen Temperaturprofil. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung kann daher die Lebensdauer der Heißgaspfadkomponente verlängern und ermöglichen, dass die Komponente in Verbindung mit Heißgasströmen höherer Temperatur verwendet werden kann, wodurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Turbinenanlage 10 erhöht werden. Weiter kann gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Reduzierung der Temperatur des Substrats 100 eines Bestandteils einer Turbine 10 während des Turbinenbetriebs erzielt werden. Bei bestimmten Implementierungen kann zum Beispiel die mittlere Temperatur des Substrats zwischen circa 704°C und circa 982°C (1300°F bis circa 1800°F) liegen.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet – darunter die bevorzugte (beste) Ausführungsform (best mode) – die auch dazu dienen sollen, alle Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung anzuwenden, eingeschlossen die Herstellung und Verwendung jeder Vorrichtung oder jedes Systems sowie die Durchführung jedes enthaltenen Verfahrens. Die hier aufgeführten repräsentativen Beispiele und Ausführungsformen enthalten Merkmale, die miteinander und mit Merkmalen anderer offenbarter Ausführungsformen oder Beispiele kombiniert werden können und in einem solchen Fall zusätzliche Ausführungsformen bilden würden, die ebenfalls im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, wie sie Fachleuten einfallen könnten. Derartige andere Beispiele sollen in dem Schutzbereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn diese Beispiele strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zur wörtlichen Bedeutung der Ansprüche aufweisen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Verwendung und Herstellung von Kühlmerkmalen in einer Komponente 54, die in einem Heißgaspfad verwendet wird, zum Beispiel in einer Turbine 10. Bei einer Ausführungsform werden Kanäle 110 in einer Außenoberfläche 102 der Komponente 54 ausgebildet 56 und mit einem wieder entfernbaren Material 120 gefüllt 60. Die Außenoberfläche 102 und die Kanäle 110 können anschließend mit einer oder mehreren Schichten – beispielsweise einer strukturellen Schicht 130 und/oder einer Topcoat-Beschichtung 134 beschichtet 64 werden. Das entfernbare Material 120 kann dann entfernt 68 werden, damit die Kanäle 110 frei von dem entfernbarem Material 120 sind.
Bezugszeichenliste

10: Turbinenanlage
12: Kraftstoffeinspritzdüse
14: Kraftstoff
16: Brennkammer
18: Turbine
19: Welle
20: Abgasauslass
22: Verdichter
24: Lufteinlass
26: Last
30: Luft
32: Verdichtete Luft
34: Kraftstoff-Luft-Gemisch
50: Verfahren
52: Gegossenes Teil
54: Teil
56: Kanäle ausbilden
58: Löcher ausbilden, die Kanäle mit Innenbereich verbinden
60: Kanäle mit Füllmaterial füllen
64: Oberflächenbeschichtungen aufbringen
66: Kühllöcher bohren
68: Füllmaterial entfernen
70: Beschichtung aufbringen
72: Teil wärmebehandeln
100: Substrat
102: Außenoberfläche
104: Innenoberfläche
110: Kanäle
116: Löcher
118: Innenraum
120: Füllmaterial
130: Strukturelle Schicht/Beschichtung
134: Topcoat-Beschichtung
140: Kühllöcher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5626462 [0031, 0045, 0047, 0048, 0049, 0050, 0051]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente (54), das umfasst: Ausbilden (56) von einem oder mehreren Kanälen (110) in einer Außenoberfläche (102) der Turbinenkomponente (54); Ausbilden (58) von einem oder mehreren Löchern (116) zwischen dem Kanal oder den Kanälen (110) und einem Innenbereich (118) der Turbinenkomponente (54); mechanisches Drücken eines Drahts oder Pulvers (12) aus Metall oder einer Metalllegierung in den oder die Kanäle (110), um den oder die Kanäle (110) im Wesentlichen zu füllen (60). Aufbringen (64) einer oder mehrerer Beschichtungen (130) auf der Außenoberfläche (102) der Turbinenkomponente (54) über dem oder den mit dem Draht oder Pulver aus Metall oder Metalllegierung gefüllten Kanälen (110); Ausbilden (66) eines oder mehrerer Löcher (140) durch die Beschichtungen hindurch und Entfernen (68) des Drahts oder Pulvers aus Metall oder einer Metalllegierung aus den Kanälen (110).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung(en) (130) eine Nickel- oder Cobaltlegierung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Wärmebehandlung (72) der Turbinenkomponente (54) nach dem Entfernen des Metalls oder der Metalllegierung aus den Kanälen (110) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen (64) von zumindest einer Beschichtung (130) das Aufbringen der Beschichtung (130) auf der Außenoberfläche (102) der Turbinenkomponente (54) mithilfe eines oder mehrerer der folgenden Verfahren umfasst: Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Ionen-Plasma-Beschichtung, Niederdruckplasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsluftpritzen oder kaltes Spritzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der oder die Kanäle (110) mithilfe eines oder mehrerer der folgenden Verfahren ausgebildet werden: Bearbeiten mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl, Funkenerodieren mit einer Drehelektrode, Laserbearbeitung oder elektrochemische Senkbearbeitung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Draht oder das Pulver (120) aus Metall oder einer Metalllegierung eine oder mehrere der folgenden Substanzen enthält: Cu, Mo, Ni, W. Al, Monel oder Nichrom.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen (68) des Drahts oder des Pulvers (120) aus Metall oder einer Metalllegierung Folgendes umfasst: Auslaugen, Auflösen, Ätzen, Oxidieren oder Schmelzen des Drahts oder des Pulvers (120) aus Metall oder einer Metalllegierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren das Aufbringen einer Topcoat-Beschichtung (134) auf der Beschichtung (130) und das Ausbilden (66) von einem oder mehreren Löchern (140) durch die Topcoat-Beschichtung (134) und die Beschichtung (130) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der oder die Kanäle (110) dreidimensionale Strukturen oder komplexe Kurven umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der folgenden Schritte gemäß einem programmierten Prozess ausgeführt wird, durch den eine robotische Schnittstelle gesteuert wird: Ausbilden (56) des Kanals oder der Kanäle (110), Ausbilden (58) des Loches oder der Löcher (116) zum Innenbereich (118), Ausbilden (66) des Loches oder der Löcher (140) durch die Beschichtung (130) oder Füllen (60) des Kanals oder der Kanäle (110).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren das Aufbringen (70) einer oxidationsbeständigen Beschichtung auf eine oder beide Kanaloberflächen oder die Außenoberfläche der Turbinenkomponente (54) nach dem Entfernen (68) des Metalls oder der Metalllegierung aus den Kanälen (110) umfasst.
Hergestellter Artikel (54) zur Verwendung in einer Turbomaschine (10), wobei der hergestellte Artikel (54) umfasst: einen Körper mit einer oder mehreren inneren Passagen (118); eine Außenoberfläche (102) des Körpers, in der ein oder mehrere Kanäle (110) ausgebildet sind, wobei der oder die Kanäle (110) mit der oder den inneren Passagen (118) strömungsverbunden sind; ein massives Metall oder eine Metalllegierung (120), die in dem Kanal oder den Kanälen (110) angeordnet sind, um den Kanal oder die Kanäle (110) zu füllen oder im Wesentlichen zu füllen.
Hergestellter Artikel (54) nach Anspruch 12, wobei die Herstellung eine oder mehrere Oberflächenbeschichtungen (130) umfasst, die über dem Kanal oder den Kanälen (110) und dem massiven Metall oder der Metalllegierung (120) ausgebildet werden, wobei die Oberflächenbeschichtung(en) (130) Filmlöcher (140) umfassen, die durch die Oberflächenbeschichtung(en) (130) hindurch ausgebildet werden.
Hergestellter Artikel (54) nach Anspruch 12, wobei der oder die Kanäle (110) eine Tiefe oder Breite in einem Bereich von circa 0,2 mm bis circa 2 mm aufweisen.
Hergestellter Artikel (54) nach Anspruch 12, wobei das massive Metall oder die Metalllegierung (120) einen oder mehrere Drähte aus einem massiven Metall oder einer Metalllegierung oder ein oder mehrere verdichtete Pulver aus dem massiven Metall oder der Metalllegierung (120) umfassen.