DE102011056181A1

DE102011056181A1 - Komponenten mit Kühlkanälen und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011056181A1
Application number: DE102011056181A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Todd Garrett Wetzel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN102606231A; CN102606231B; US8727727B2; US20120145371A1; JP5997438B2; FR2968704A1; FR2968704B1; JP2012127343A

Abstract

Es wird eine Komponente (100) offengelegt. Die Komponente enthält ein Substrat (110), das eine Außenoberfläche (112) und eine Innenoberfläche (116) aufweist. Die Innenoberfläche definiert wenigstens einen hohlen Innenraum (114) und die Außenoberfläche definiert eine oder mehrere Nuten (132), die sich wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche des Substrates erstrecken und eine entsprechende Basis (134) haben. Ein oder mehrere Zugangslöcher (140) sind durch die Basis einer entsprechenden Nut hindurch ausgebildet, um die Nut mit dem entsprechenden hohlen Innenraum in Fluidverbindung zu bringen. Die Komponente enthält ferner eine Beschichtung (150), die eine oder mehrere über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Lagen (54, 56) aufweist. Die Nut(en) und die Beschichtung definieren zusammen einen oder mehrere Kanäle (130) zum Kühlen der Komponente. Ein oder mehrere Gräben (60) sind durch die eine oder die mehreren Beschichtungslagen (54, 56) hindurch ausgebildet und definieren wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich (62) für den bzw. die Kühlkanäle. Ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente (100) wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere eine Mikrokanalkühlung darin.
In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und mit Brennstoff in einem Brenner zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase vermischt. Energie wird aus den Gasen in einer Hochdruckturbine (HPT) entzogen, welche den Verdichter antreibt, und in einer Niederdruckturbine (LPT), welche einen Bläser in einer Turbobläser-Flugzeugtriebwerksanwendung antreibt oder eine externe Welle für Schiffs- und Industrieanwendungen antreibt.
Der Energiewirkungsgrad nimmt mit der Temperatur der Verbrennungsgase zu. Jedoch erhitzen die Verbrennungsgase die verschiedenen Bauteile entlang ihres Strömungspfades, was wiederum deren Kühlung erfordert, um eine lange Triebwerklebensdauer zu erhalten. Typischerweise werden die Heißgaspfadkomponenten durch Abzapfen von Luft aus dem Verdichter gekühlt. Dieser Kühlprozess verringert den Triebwerkswirkungsgrad, da die Abzapfluft nicht im Verbrennungsprozess genutzt wird.
Die Gasturbinentriebwerks-Kühlungstechnik ist ausgereift und umfasst zahlreiche Patente für verschiedene Aspekte von Kühlkreisen und Merkmalen in den verschiedenen Heißgaspfadkomponenten. Beispielsweise enthält der Brenner radial äußere und innere Einsätze, welche während des Betriebs einer Kühlung bedürfen. Turbinenleitapparate enthalten hohle Laufschaufeln, die zwischen Außen- und Innenbändern gelagert sind, welche ebenfalls eine Kühlung erfordern. Turbinenrotorlaufschaufeln sind hohl und erfordern typischerweise Kühlkreise darin, wobei die Laufschaufeln von Turbinendeckbändern umgeben sind, welche ebenfalls eine Kühlung benötigen. Die heißen Verbrennungsgase werden durch einen Auslass ausgegeben, welcher ebenfalls ausgekleidet und geeignet gekühlt sein kann.
In all diesen exemplarischen Gasturbinentriebwerkskomponenten werden dünne Metallwände aus hochfesten Superlegierungsmetallen typischerweise für eine verbesserte Haltbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung ihres Kühlbedarfs verwendet. Verschiedene Kühlkreise und Merkmale sind für diese individuellen Komponenten in ihren entsprechenden Umgebungen in dem Triebwerk zugeschnitten. Beispielsweise kann eine Serie interner Kühlkanäle oder Serpentinen in einer Heißgaspfadkomponente ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann den Serpentinen aus einem Sammelraum zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch diese Kanäle unter Kühlung des Substrates und der Beschichtungen der Heißgaspfadkomponente strömen. Diese Kühlstrategie führt jedoch zu relativ niedrigen Wärmeübertragungsraten und ungleichmäßigen Komponententemperaturprofilen.
Mikrokanalkühlung hat das Potential, signifikant Kühlanforderungen zu verringern, indem die Kühlung so nahe wie möglich an dem erhitzten Bereich platziert wird, um somit die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite und der kalten Seite des die Hauptlast tragenden Substratmaterials für eine gegebene Wärmeübertragungsrate zu verringern. Jedoch erfordern derzeitige Techniken zur Erzeugung mikrokanalgekühlter Komponenten typischerweise die Erzeugung von einzelnen Filmaustrittslöchern für jeden der Mikrokanäle. Da Heißgaspfadkomponenten Hunderte von Mikrokanälen enthalten können, würde die Erzeugung von Filmaustrittslöchern die Erzeugung von Hunderten von Löchern erfordern, was sich auf die Gesamtherstellungskosten der Komponenten hinzuaddiert.
Es wäre daher wünschenswert, wirtschaftlichere und effizientere Einrichtungen zur Erzeugung von Austrittsbereichen aus Mikrokanälen bereitzustellen.
Kurzbeschreibung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht auf einer Komponente, die ein Substrat mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche aufweist. Die Innenoberfläche definiert wenigstens einen hohlen Innenraum und die Außenoberfläche definiert eine oder mehrere Nuten. Jede Nut erstreckt sich wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche des Substrates und hat eine entsprechende Basis. Ein oder mehrere Zugangslöcher sind durch die Basis einer entsprechenden Nut hindurch ausgebildet, um die Nut mit entsprechenden von dem wenigstens einem hohlen Innenraum in Fluidverbindung zu bringen. Die Komponente enthält ferner eine Beschichtung, die eine oder mehrere über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Lagen aufweist. Die Nut(en) und die Beschichtung definieren zusammen einen oder mehrere Kanäle zum Kühlen der Komponente. Ein oder mehrere Graben sind durch die eine oder die mehreren Lagen der Beschichtung hindurch ausgebildet und definieren wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich für den einen oder die mehreren Kühlkanäle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung beruht in einem Verfahren zur Herstellung einer Komponente. Das Verfahren beinhaltet die Erzeugung einer oder mehrerer Nuten in einer Außenoberfläche eines Substrates, welches wenigstens einen hohlen Innenraum hat. Jede Nut erstreckt sich wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche des Substrates und hat eine entsprechende Basis. Das Herstellungsverfahren beinhaltet ferner die Herstellung eines oder mehrerer Zugangslöcher durch die Basis einer entsprechenden Nut hindurch, um die Nut mit entsprechenden von dem wenigstens einen hohlen Innenraum in Fluidverbindung zu bringen. Das Herstellungsverfahren beinhaltet ferner die Abscheidung einer Beschichtung wenigstens über einen Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates dergestalt, dass die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere Kanäle zur Kühlung der Komponente definieren. Das Herstellungsverfahren beinhaltet ferner die Erzeugung eines oder mehrerer Gräben durch die eine oder mehreren Lagen der Beschichtung hindurch, um wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich für den bzw. die Kühlkanäle zu definieren.
Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems ist;
2 ein schematischer Querschnitt einer Schaufelblattausgestaltung mit Kühlkanälen gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist;
3 schematisch in perspektivischer Ansicht drei exemplarische Kühlkanäle darstellt, die sich teilweise entlang der Oberfläche des Substrates erstrecken und Kühlmittel zu entsprechenden Austrittsbereichen führen, die in einem Graben in der Schaufelblattbeschichtung ausgebildet sind;
4 eine Querschnittsansicht von einem der exemplarischen Kühlkanäle von 3 ist und den Kanal bei der Förderung von Kühlmittel aus einem Zugangsloch zu einem Austrittsbereich darstellt, der in einem Graben in der Schaufelblattbeschichtung ausgebildet ist;
5 ein Querschnitt der Komponente von 3 ist, der nicht mit einem der Kühlkanäle zusammenfällt;
6 schematisch in perspektivischer Ansicht drei exemplarische rückspringend geformte Kühlkanäle darstellt, die sich teilweise entlang der Oberfläche des Substrates erstrecken und Kühlmittel zu entsprechenden Austrittsbereichen führen, die in einem Graben der Schaufelblattbeschichtung ausgebildet sind;
7 eine Querschnittsansicht einer Komponente mit drei exemplarischen Kühlkanälen ist, wobei jeder von den Kanälen einen durchlässigen Schlitz hat;
8 eine Querschnittsansicht einer Komponente mit drei exemplarischen Kühlkanälen ist, wobei jeder von den Kanälen durch eine Außenbeschichtung verschlossen ist;
9 schematisch in perspektivischer Ansicht einen Querschnitt einer Komponente mit drei exemplarischen Kühlkanälen und mit einem in den äußeren Beschichtungslagen ausgebildeten Graben darstellt;
10 eine Querschnittsansicht von einem der exemplarischen Kühlkanäle von 9 ist und den Kanal fluidführend über ein Filmloch mit dem Graben verbunden darstellt, der in den äußeren Beschichtungslagen ausgebildet ist;
11 schematisch in perspektivischer Ansicht drei exemplarische Kühlkanäle darstellt, die in einem nicht rechtwinkligen Eintrittswinkel in Bezug auf einen in der Schaufelblattbeschichtung ausgebildeten Graben ausgerichtet sind;
12 schematisch in perspektivischer Ansicht einen Abschnitt einer Komponente mit vier exemplarischen Kühlkanälen und mit zwei in der Beschichtung ausgebildeten Gräben darstellt;
13 schematisch eine weitere Grabenausgestaltung darstellt, bei der der Graben durch Beschichtungsstege getrennte Austrittsbereiche definiert;
14 eine Querschnittsansicht des exemplarischen Grabens von 13 ist;
15 ein Querschnitt einer Komponente ist, die nicht mit einem der Kühlkanäle zusammenfällt, bei denen der Graben im Winkel angeordnete Eintritts- und Austrittswände enthält;
16 schematisch eine weitere Grabenausgestaltung darstellt, an welchem die Grundfläche des Grabens an dem ersten Ende des Grabens kleiner als an dem zweiten Ende des Grabens ist;
17 eine exemplarische gekrümmte Grabenausgestaltung darstellt; und
18 bis 20 exemplarische Verfahrensschritte zum Erzeugen eine Komponente darstellen.
Detaillierte Beschreibung
Die Begriffe ”erst...”, ”zweit...” und dergleichen hierin, bedeuten keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern werden lediglich dazu genutzt, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe ”ein...” bedeuten keine Einschränkung der Menge, sondern bedeuten das Vorliegen von wenigstens einem von dem angesprochenen Element. Der in Verbindung mit einer Menge genutzte Modifikator ”etwa” schließt den angegebenen Wert ein und hat die von dem Kontext vorgegebene Bedeutung (beinhaltet beispielsweise den Grad des Fehlers in Verbindung mit der Messung einer bestimmten Menge). zusätzlich schließt der Begriff ”Kombination” Verschnitte, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergl. mit ein.
Ferner soll in dieser Patentschrift das Suffix ”er” sowohl die Singular- als auch Pluralform des Begriffes, den es modifiziert, beinhalten und dadurch einen oder mehrere von diesem Begriff beinhalten (beispielsweise kann ”das Durchtrittsloch” ein oder mehrere Durchtrittslöcher beinhalten, soweit es nicht anderweitig spezifiziert ist). Ein Verweis in der gesamten Patentschrift auf ”nur eine Ausführungsform”, ”eine weitere Ausführungsform”, ”eine Ausführungsform” usw., bedeutet, dass ein in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Kennzeichen) in wenigstens einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist, und in andern Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich dürfte es sich verstehen, dass die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein können.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems 10. Das System kann einen oder mehrere Verdichter 12, Brenner 14, Turbinen 16 und Brennstoffdüsen 20 enthalten. Der Verdichter 12 und die Turbine 16 können mittels einer oder mehreren Wellen 18 verbunden sein. Die Welle 18 kann eine Einzelwelle sein oder mehrere miteinander verbundene Wellensegmente um die Welle auszubilden.
Das Gasturbinensystem 10 kann eine Anzahl von Heißgaspfadkomponenten 100 enthalten. Eine Heißgaspfadkomponente ist jede Komponente des Systems 10, die wenigstens teilweise einem Hochtemperaturgasstrom durch das System 10 ausgesetzt ist. Beispielsweise sind Schaufelbaugruppen (auch als Laufschaufeln oder Laufschaufelbaugruppen bekannt), Leitapparatbaugruppen (auch als Leitschaufeln oder Leitschaufelbaugruppen bekannt), Deckbandbaugruppen, Übergangsstücke, Halterungsringe und Verdichterausgangskomponenten alle Heißgaspfadkomponenten. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass die Heißgaspfadkomponente 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehenden Beispiele beschränkt ist, sondern jede beliebige Komponente sein kann, die wenigstens teilweise einem Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Ferner dürfte es sich verstehen, dass die Heißgaspfadkomponente 100 der vorliegenden Offenlegung nicht auf Komponenten in Gasturbinensystemen 10 beschränkt ist, sondern dass jedes Teil einer Maschinerie oder Komponente davon Hochtemperaturströmen ausgesetzt sein kann.
Wenn eine Heißgaspfadkomponente 100 einem Heißgasstrom 80 ausgesetzt ist, wird die Heißgaspfadkomponente 100 durch den Heißgasstrom 800 erhitzt und kann eine Temperatur erreichen, bei welcher die Heißgaspfadkomponente 100 ausfällt. Somit ist, um den Betrieb eines Systems 10 mit einem Heißgasstrom 80 bei hoher Temperatur, die den Wirkungsgrad und die Leistung des Systems 10 steigert, zu ermöglichen, ein Kühlsystem für die Heißgaspfadkomponente 100 erforderlich.
Im Allgemeinen enthält das Kühlsystem der vorliegenden Offenlegung eine Reihe von kleinen Kanälen oder Mikrokanälen, die in der Oberfläche der Heißgaspfadkomponente 100 ausgebildet sind. Die Heißgaspfadkomponente kann mit einer Beschichtung versehen sein. Ein Kühlfluid kann den Kanälen von einem Sammelraum aus zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch die Kanäle unter Kühlung der Beschichtung strömen.
Eine Komponente 100 wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 17 beschrieben. Wie beispielsweise in 2 dargestellt, enthält die Komponente 100 ein Substrat 110 mit einer Außenoberfläche 112 und einer Innenoberfläche 116. Wie beispielsweise in 2 dargestellt, definiert die Innenoberfläche 116 wenigstens einen hohlen Innenraum 114. Wie beispielsweise in 2 und 3 dargestellt, definiert die Außenoberfläche 112 eine oder mehrere Nuten 132. Wie beispielsweise in den 3 und 11 dargestellt, erstreckt sich jede von den Nuten 132 wenigstens teilweise entlang der Oberfläche 112 des Substrates 110 und hat eine Basis 134.
Das Substrat 110 wird typischerweise vor der Erzeugung der Nut 132 in der Oberfläche 112 des Substrates 110 gegossen. Wie in dem gemeinsam übereigneten US Patent Nr. 5,626,462 diskutiert, welches hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, kann das Substrat 110 aus jedem geeigneten Material geformt sein, das hierin als ein erstes Material bezeichnet wird. Abhängig von der gewünschten Anwendung für die Komponente 100 könnte diese Superlegierungen auf Ni-Basis, Co-Basis und Fe-Basis beinhalten. Die Superlegierungen auf Ni-Basis können diejenigen sein, welche sowohl g- als auch g'-Phasen enthalten, insbesondere diejenigen Superlegierungen auf Ni-Basis, die sowohl γ als auch γ'-Phasen enthalten, wobei die γ'-Phase wenigstens 40 Volumenprozent der Superlegierung einnimmt. Derartige Legierungen sind aufgrund einer Kombination erwünschter Eigenschaften einschließlich Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit als vorteilhaft bekannt. Das erste (Substrat-)Material kann auch eine intermetallische NiAl-Legierung enthalten, da diese Legierung ebenfalls als eine Kombination überlegender Eigenschaften einschließlich Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit besitzend bekannt ist, die für den Einsatz in für Flugzeuge verwendeten Turbinentriebwerksanwendungen vorteilhaft sind. Im Falle von Legierungen auf Nb-Basis werden beschichtete Nb-Basislegierungen mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit, wie zum Beispiel Nb/Ti-Legierungen und insbesondere die Legierungen, die Nb-(27–40)Ti-(4,5–10,5)Al-(4,5–7,9)Cr-(1,5–5,5)Hf-(0–6)V enthalten, bevorzugt, wobei die Zusammensetzungsbereiche in Atomprozent vorliegen. Das erste (Substrat-)Material kann auch eine Nb-Basislegierung aufweisen, die wenigstens eine sekundäre Phase enthält, wie zum Beispiel eine intermetallische Nb-enthaltende Verbindung, die ein Silizid, Karbid oder Borid aufweist. Derartige Legierungen sind analog zu Verbundwerkstoffen einer duktilen Phase (das heißt, der Nb-Basislegierung) und einer Verstärkungsphase (das heißt, einer Nb-enthaltenden intermetallischen Verbindung). Für andere Anordnungen weißt das Substratmaterial eine Molybdän-basierende Legierung auf, wie zum Beispiel Legierungen, die auf Molybdän (Festlösung) mit Mo₅SiB₂ und Mo₃Si-Zweitphasen basieren. Für andere Ausgestaltungen weist das Substratmaterial einen Keramikmatrixverbundwerkstoff auf, wie zum Beispiel eine Siliziumkarbid-(SiC)-Matrix, die mit SiC-Fasern verstärkt ist. Für andere Ausgestaltungen weist das Substratmaterial eine TiAl-basierende intermetallische Verbindung auf.
Wie beispielsweise in 3 dargestellt, sind ein oder mehrere Zugangslöcher 140 durch die Basis 134 einer entsprechenden Nut 132 hindurch ausgebildet, um die Nut 132 in mit dem entsprechenden hohlen Innenraum 114 Fluidverbindung zu bringen. Die Zugangslöcher 140 sind typischerweise im Querschnitt rund oder oval und können beispielsweise unter Verwendung von einem oder mehreren von Laserbearbeitung (Laserbohren), Abrasivflüssigkeitsstrahl, Funkenerosionsbearbeitung (EDM) und Elektronenstrahlbohren erzeugt werden. Die Zugangslöcher 140 können rechtwinklig zu der Basis 134 der entsprechenden Nut 132 (gemäß Darstellung in 6) sein oder können im Allgemeinen in Winkeln von 20 bis 90° in Bezug auf die Basis 134 der Nut gebohrt sein.
Die Komponente 100 enthält ferner eine Beschichtung 150 mit einer oder mehreren Lagen 54, 56, die über wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche 112 des Substrates 110 angeordnet ist. Wie beispielsweise in 3 dargestellt, definieren die Nuten 132 und die Beschichtung 150 zusammen einen oder mehrere Kanäle 130 zum Kühlen der Komponente 100. Typischerweise liegt die Kanallänge in dem Bereich von dem 10- bis 1000-fachen des Filmlochdurchmessers und insbesondere in dem Bereich von dem 10- bis 100-fachen des Filmlochdurchmessers. Vorteilhaft können die Kanäle 130 überall auf den Oberflächen der Komponenten (Schaufelblattkörper, Vorderkanten, Hinterkanten, Blattspitzen, Stirnwänden, Plattformen) angewendet werden. Zusätzlich können, obwohl die Kanäle mit geraden Wänden dargestellt, sind, die Kanäle 130 jede beliebige Ausgestaltung haben, indem sie beispielsweise gerade, gekrümmt sind oder mehrere Kurven haben.
Die Beschichtung 150 stimmt mit der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 überein und überdeckt Kanäle 130 ausbildende Nuten 132. Für bestimmte Ausgestaltungen kann die Beschichtung 150 lediglich die erste Beschichtung oder eine Aufbaubeschichtung sein, die die Kanäle überdeckt. Für bestimmte Anwendungen wird nämlich keine zusätzliche Beschichtung verwendet. Für andere Anwendungen werden jedoch auch eine Haftschicht und/oder eine Wärmesperrschicht (TBC) verwendet. Die Beschichtung 150 weist ein zweites Material auf, welches jedes geeignete Material sein kann und mit der schaufelblattförmigen Außenoberfläche des Substrates 110 verbunden ist. Für spezielle Ausgestaltungen hat die Beschichtung 150 eine Dicke in dem Bereich von 0,1 bis 2,0 mm und insbesondere in dem Bereich von 0,1 bis 1 mm und noch spezieller von 0,1 bis 0,5 mm für industrielle Komponente. Für Luftfahrtkomponenten ist dieser Bereich typischerweise 0,1 bis 0,25 mm. Jedoch können andere Dicken abhängig von den Anforderungen für eine spezielle Komponente 100 verwendet werden.
Wie beispielsweise in den 3 bis 6 und 9 bis 16 dargestellt, sind einer oder mehrere Gräben 60 durch eine oder mehrere Schichten 54, 56 der Beschichtung 150 hindurch ausgebildet. Wie beispielsweise in den 3 und 4 dargestellt, definieren der eine oder die mehreren Gräben 60 wenigstens teilweise einen Austrittsbereich 62 für den bzw. die Kühlkanäle 130. Für die in 3 dargestellte Beispielausgestaltung weist die Beschichtung 150 wenigstens eine Aufbauschicht 54 und eine Außenbeschichtung 56 auf, und der Graben 60 erstreckt sich durch die Aufbaubeschichtung 54 und die Außenbeschichtung 56 um die Austrittsbereiche 62 für die Kühlkanäle 130 zu definieren. Vorteilhaft schneidet jeder Graben direkt über den Kühlkanalbereich auf, was die Notwendigkeit einer Präzisionspositionierung der einzelnen Filmlöcher erübrigt. Auf diese Weise kann eine Filmkühlung unter Einsatz vereinfachter Bearbeitungsverfahren bereitgestellt werden.
Die Nuten 132 können gerade oder gekrümmt sein und gerade oder gekrümmte Wände haben. Für die in 6 dargestellte Ausgestaltung ist die Basis 134 breiter als der obere Bereich 136 der entsprechenden Nut 136, sodass jede Nut 132 aus einer rückspringend geformten Nut 132 besteht, und sodass jeder Kanal 130 aas einem rückspringend geformten Kanal 130 besteht. Verschiedene Eigenschaften und Vorteile von rückspringend geformten Kanälen 130 sowie Techniken zur Herstellung rückspringend geformter Kanäle 130 sind in der US Patentanmeldung Ser. Nr. 12/943,624, Ronald S. Bunker et al., ”Components with re-entrant shaped cooling channels and methods of manufacture”, die der GE Dokument Nr. 246424-1 entspricht, welche hierin durch Verweis ihrer Gesamtheit enthalten ist, beschrieben.
Für spezielle Ausgestaltungen ist die Basis 134 einer entsprechenden von den rückspringend geformten Nuten 132 wenigstens zweimal breiter als der obere Bereich 136 der entsprechenden Nut 132. Für speziellere Ausgestaltungen ist die Basis 134 der entsprechenden rückspringend geformten Nut 132 wenigstens dreimal und insbesondere in dem Bereich von drei- bis viermal breiter als der obere Bereich 136 der entsprechenden Nut 132. Techniken zur Erzeugung rückspringend geformter Nuten 132 sind in der US Patentanmeldung Ser. Nr. 12/943,624, Ronald S. Bunker et al. beschrieben. Insbesondere kann die Beschichtung 150 über ungefüllten rückspringenden Nuten 132 abgeschieden werden (Das heißt, ohne Füllung oder Teilfüllung der Nut mit einem Opferfüllmaterial). Zusätzlich stellen die rückspringenden Nuten eine verbesserte Kühlung in Bezug auf eine einfach geformte Nut bereit (nämlich Nuten mit oberen Bereichen 136 und Basen von angenähert gleicher Breite).
Ebenso können für kleinere Komponenten die Nuten klein genug sein, dass die Beschichtung 150 über ungefüllten Nuten 132 (mit beliebigen Formen, die nicht rückspringend geformt sein müssen) ohne Füllung oder Teilfüllung der Nut abgeschieden werden kann. Dieses könnte für kleinere Komponenten, beispielsweise mit Luftfahrt-Abmessungen, der Fall sein.
Für die in den 7 und 8 dargestellten Ausgestaltungen definiert wenigstens eine von den Beschichtungslagen 54, 56 einen oder mehrere Schlitze 144 dergestalt, dass die entsprechenden Lagen 54, 56 nicht jede von der einen oder den mehreren Nuten 132 vollständig überbrücken. Insbesondere weist die Beschichtung 150 für die in 7 dargestellte Anordnung wenigstens eine Aufbaubeschichtung 54 und eine Außenbeschichtung 56 auf. Gemäß Darstellung in 7 überbrückt die Außenbeschichtung 56 nicht vollständig die in der Aufbaubeschichtung 54 ausgebildeten durchlässigen Schlitze 144 dergestalt, dass sich die durchlässigen Schlitze 144 durch die Außenbeschichtung 56 hindurch erstrecken. Jedoch überbrückt für die in 8 dargestellte Beispielausgestaltung wenigstens eine Lage der Außenbeschichtung 56 vollständig die entsprechenden Nuten 132 und verschließt dadurch die entsprechenden Kanäle 130. Die Erzeugung durchlässiger Schlitze 144 ist in der gemeinsam übereigneten US Patentanmeldung Ser. Nr. 12/943,646, Ronald S. Bunker et al., ”Components and methods of fabricating and coating a component”, die der GE Dokument-Nr. 247894-1 entspricht, welche hierin durch Verweis ihrer Gesamtheit enthalten ist, beschrieben.
Wie in der US Patentanmeldung Ser. Nr. 12/943,646 beschrieben, können durchlässige Schlitze 144 für eine Vielzahl von Kanalgeometrien erzeugt werden. Typischerweise haben die durchlässigen Schlitze (Spalte) 144 unregelmäßige Geometrien, wobei die Breite des Spaltes (144) variiert, während die Aufbaubeschichtung aufgebracht wird und eine Dicke aufbaut. Zu Beginn, während der erste Teil der Aufbaubeschichtung auf das Substrat 110 aufgebracht wird, kann die Breite des Spaltes 144 bis zu 50% der Breite des oberen Bereichs 136 des Mikrokanals 130 sein. Der Spalt 144 kann sich dann auf 5% oder weniger der Breite des oberen Bereichs 136 verengen, während die Aufbaubeschichtung aufgebaut wird. Für spezielle Beispiele ist die Breite des Spaltes 144 an ihrem engsten Punkt 5% bis 20% der Breite des oberen Bereiches 136 des entsprechenden Kanals. Zusätzlich kann der durchlässige Schlitz 144 porös sein, wobei in diesem Falle der ”poröse” Spalt 144 einige Verbindungen haben kann, das heißt, einige Punkte oder Stellen, die einen Spalt von null haben. Vorteilhaft stellen die Spalte 144 eine Spannungsentlastung für die Beschichtung 150 bereit.
Abhängig von ihrer spezifischen Funktion können sich die durchlässigen Schlitze 144 entweder (1) durch die gesamten Beschichtungslagen gemäß Darstellung in 2, oder (2) durch einige aber nicht alle Beschichtungen erstrecken, beispielsweise kann ein durchlässiger Schlitz 144 in einer oder mehren Beschichtungslagen 50 mit einer anschließend die Schlitze überbrückenden abgeschiedenen Lage ausgebildet werden, um dadurch effektiv die Schlitze 144 zu verschließen, wie es in 8 dargestellt, ist. Vorteilhaft kann der durchlässige Schlitz 144 als eine Spannung/Druck-Entlastung für die Aufbaubeschichtung(en) funktionieren. Zusätzlich kann der durchlässige Schlitz 144 als eine Kühleinrichtung dienen, wenn er sich durch die gesamten Beschichtungen hindurch erstreckt (7), das heißt, dass für diese Ausgestaltung die durchlässigen Schlitze 144 dafür eingerichtet sind, ein Kühlfluid aus den entsprechenden Kanälen 130 an eine Außenoberfläche der Komponente zu transportieren. Ferner kann der durchlässige Schlitz 144 als eine passive Kühleinrichtung dienen, wenn er durch obere Beschichtungen (8) überbrückt wird, in diesem Falle, wenn diese Beschichtungen beschädigt oder abgeplatzt sind.
Der bzw. die Graben 60 können in einer Vielfalt von Winkeln in Bezug auf die Kühlkanäle 139 ausgerichtet sein. Für die in den 3, 6 und 9 dargestellten Ausgestaltungen können die entsprechenden Gräben 60 im Wesentlichen rechtwinklig zu den Kühlkanälen 130 ausgerichtet sein. So wie hierin verwendet, sollte der Begriff ”angenähert” in der Bedeutung von ±10° verstanden werden. Für die in 11 dargestellte Ausgestaltung hat der Graben 60 einen nicht rechtwinkligen Eintrittswinkel in Bezug auf die Kühlkanäle 130. Das heißt, für diese Anordnung liegen der bzw. die Gräben 60 und die Kanäle 130 nicht im rechten Winkel. Beispielsweise würde für die in 11 dargestellte Anordnung die nicht rechtwinklige Ausrichtung zwischen dem Graben 60 und den Kanälen 130 die Verteilung des Filmkühlmittels in Bezug auf die Richtung des Heißgasstroms begünstigen.
Für bestimmte Ausgestaltungen ist nur ein einziger Graben 60 für einen gegebenen Satz von Kühlkanälen vorgesehen, wie es beispielsweise in den 3, 6, 9 und 11 dargestellt, ist. Jedoch sind für andere Ausgestaltungen mehrere Gräben 60 durch die eine oder die mehreren Beschichtungslagen 54, 56 ausgebildet. 12 stellt eine derartige exemplarische Anordnung dar. Jedoch ist die in 12 dargestellte Anordnung lediglich veranschaulichend.
Die Gräben 60 können zusammenhängend oder unterbrochen sein. Das heißt, die zusammenhängenden Gräben 60 können angenähert eine konstante Tiefe oder eine glatte aber abgeschrägte oder gekrümmte Tiefe haben. Ein Beispiel eines unterbrochenen Grabens 60 ist in den 13 und 14 dargestellt. Für die dargestellte Anordnung sind mehrere Gräben 132 in dem Substrat dergestalt ausgebildet, dass mehrere Kühlkanäle 130 durch die Beschichtung 150 und die Nut 132 definiert werden. Wie in 14 dargestellt, enthält der Graben 60 einen oder mehrere Beschichtungsstege 64 angrenzend an entsprechende Austrittsbereiche 62. Für die in den 13 und 14 dargestellte exemplarische Anordnung trennen die Beschichtungsstege benachbarte Austrittsbereiche 62. Jedoch erhält der Graben 60 für die in 3 dargestellte Anordnung keinen Beschichtungssteg, sondern besteht aus einen zusammenhängenden Graben.
Obwohl die in den 4, 5, 10 und 14 dargestellten Gräben Wände haben, die angenähert rechtwinklig zu dem oberen Bereich der Kanäle sind, können die Grabenwände für andere Ausgestaltungen in anderen Winkeln in Bezug auf die Kanäle ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Graben 60 eine im Winkel angeordnete Austrittswand 66 gemäß Darstellung in 15 haben. Für die in 15 dargestellte exemplarische Anordnung enthält der Graben 60 sowohl eine im Winkel angeordnete Austrittswand 66 als auch eine im Winkel angeordnete Eintrittswand 68. Zusätzlich können, obwohl die Eintritts- und Austrittswände 68, 66 als gerade dargestellt, sind, diese auch gekrümmt oder abgerundet sein.
Die Gräben 60 können symmetrische oder asymmetrische Bodenflächen haben. Beispielsweise ist für die in den 3, 6, 9 und 11 bis 13 dargestellten Gräben 60 die Bodenfläche des entsprechenden Grabens an den zwei Enden des Grabens dieselbe. Für die in 16 dargestellte Ausgestaltung ist jedoch die Bodenfläche 70 des Grabens 60 an dem ersten Ende 72 des Grabens 60 kleiner als an dem zweiten Ende 74 des Grabens 60. Zusätzlich sind, obwohl die Kühlkanäle 130 als gleichmäßig beanstandet dargestellt, sind, für andere (nicht ausdrücklich dargestellte) Ausgestaltungen die Kanäle 130 in der Nähe des zweiten Endes 74 des Grabens 60 näher zusammen liegend dargestellt, als in der Nähe des ersten Endes 72 des Grabens 60. Ferner sind, obwohl die Kanäle 130 mit demselben Volumen dargestellt sind, für andere (nicht ausdrücklich dargestellte) Ausgestaltungen die Kühlkanäle 130 in der Nähe des ersten Endes 72 des Grabens 60 kleiner im Volumen als wenigstens einige von den Kühlkanälen 130 in der Nähe des zweiten Endes 74 des Grabens 60. Ferner besteht, obwohl die in den 3, 6 9 und 11 bis 13 dargestellten Gräben aus geraden Gräben 60 bestehen, der Graben 60 für die in 17 dargestellte Anordnung aus einem gebogenen Graben 60. Ebenso können die Wände des Grabens gerade sein, wie es in 3 dargestellt ist, im Winkel angeordnet, wie es in 15 dargestellt ist oder (nicht ausdrücklich dargestellt) gekrümmt sein.
Für die in den 9 und 2 dargestellte exemplarische Anordnung weist die Beschichtung 150 eine Aufbaubeschichtung 54 und eine Außenbeschichtung 56 auf, und der Graben 60 erstreckt sich durch die Außenbeschichtung 56 aber nicht vollständig durch die Aufbaubeschichtung 54 hindurch. Für die dargestellte Ausführungsform erstrecken sich die Filmkühlungslöcher 152 durch die Aufbaubeschichtung 54 hindurch, um die entsprechenden Kühlkanäle 130 mit dem Graben 60 zu verbinden. Die Filmkühlungslöcher 142 können rund sein oder können auch nicht rund geformte Löcher sein. Für diese Ausgestaltung definieren die Filmkühlungslöcher 142 und der Graben 60 die Austrittsbereiche 82 für die Kühlkanäle 130. Somit transportiert der Mikrokanal 130 für die in den 9 und 7 dargestellte exemplarische Ausgestaltung Kühlmittel aus einem Zugangsloch 140 zu einem Filmkühlungsloch 142. Für diese Ausgestaltung kann die Ausrichtung der Filmkühlungslöcher 142 zu der der Gräben für bestimmte Anordnungen ausgerichtet sein. Jedoch unterscheidet sich die Ausrichtung der Filmkühlungslöcher 142 für andere Anordnungen von der Ausrichtung des bzw. der Gräben 60 gemäß Darstellung durch die Richtung des Kühlmittelpfeils aus den Austrittsbereichen 62 in 11. Durch Bereitstellen unterschiedlicher Ausrichtungen der Filmkühlungslöcher 142 und des bzw. der Gräben 60 kann die Kühlung weiter verbessert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente 100 wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 6, 9 bis 13 und 15 bis 20 beschrieben. Wie beispielsweise in 18 dargestellt, beinhaltet das Herstellungsverfahren die Ausbildung einer oder mehrerer Nuten 132 in einer Oberfläche 112 eines Substrates 110. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 diskutiert, hat das Substrat 110 wenigstens einen hohlen Innenraum 114. Wie beispielsweise in 3 dargestellt, erstreckt sich jede von den Nuten 132 wenigstens teilweise entlang der Oberfläche 112 des Substrates 110 und hat eine Basis 134. Obwohl die Nuten 132 und Kanäle 130 in den Figuren als rechteckig dargestellt, sind, können sie auch andere Formen annehmen. Beispielsweise können die Nuten 132 (und Kanäle 130) rückspringende Nuten 132 (rückspringende Kanäle 130) wie vorstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben sein. Zusätzlich müssen die Seitenwände der Nuten 132 (Kanäle 130) nicht gerade sein. Für verschiedene Anwendungen können die Seitenwände der Nut 132 (Kanäle 130) gekrümmt oder abgerundet sein.
Die Nuten 132 können unter Anwendung einer Vielfalt von Techniken erzeugt werden. Beispielsweise können die Nuten 132 unter Anwendung von einem oder mehreren von einem Abrasivflüssigkeitsstrahl, elektrochemischer Tauchbearbeitung (ECM), Funkenerosionsbearbeitung (EDM) mit einer rotierenden Einzelpunktelektrode (”Fräs-EDM”) und Laserbearbeitung (Laserbohren) erzeugt werden. Exemplarische Laserbearbeitungstechniken sind in der gemeinsam übereigneten US Patentanmeldung Ser. No. 12/697,005 ”Process and system for forming shaped air holes”, eingereicht am 29. Januar 2010 beschrieben, welches hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit beinhaltet ist. Exemplarische EDM-Techniken sind in der gemeinsam übereigneten US Patentanmeldung Ser. No. 12/790,675 ”Gegenstände die Rauten-Filmkühlungslöcher enthalten und zugehörige Verfahren”, eingereicht am 28. Mai 2010 beschrieben, welches hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit beinhaltet ist,
Für spezielle Prozessausgestaltungen werden die Nuten 132 erzeugt, indem ein Abrasivflüssigkeitsstrahl 160 an der Oberfläche 112 des Substrates 110 geführt wird, wie es schematisch in 18 dargestellt, ist. Exemplarische Wasserstrahlbohrprozesse und Systeme werden in der US Patentanmeldung Ser. No. 12,790,675 bereitgestellt. Wie in der Anmeldung Ser. No. 12,790,675 erläutert, verwendet der Wasserstrahlprozess typischerweise einen Hochgeschwindigkeitsstrom abrasiver Partikel (zum Beispiel abrasivem Splitt, der in einem Hochdruckwasserstrom gelöst ist). Der Druck des Wassers kann erheblich variieren, liegt aber oft in dem Bereich zwischen etwas 35 bis 620 MPa. Eine Anzahl von abrasiven Materialien kann genutzt werden, wie zum Beispiel Granat, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und Glasperlchen. Vorteilhafterweise bringt der Wasserstrahlprozess keine Erwärmung des Substrates 110 in einem erheblichen Maße mit sich. Daher gibt es keine auf der Substratoberfläche 112 ausgebildete ”wärmebeeinträchtigte Zone”, welche ansonsten nachteilig die gewünschte Austrittsgeometrie für die Nuten 132 beeinflussen könnte.
Zusätzlich und wie in der US Patentanmeldung Ser. No. 12,790,675 erläutert, kann das Wasserstrahlsystem eine mehrachsige CNC gesteuerte Einheit beinhalten. Die CNC-Systeme selbst sind im Fachgebiet bekannt und beispielsweise in der US Patentanmeldung 2005/0013926 (S. Rutkowski et al.) beschrieben, welche hierin durch Verweis beinhaltet ist. CNC-Systeme ermöglichen eine Bewegung des Schneidwerkzeuges entlang einer Anzahl von X-, Y- und Z-Achsen sowie Rotationsachsen.
Wie in 19 dargestellt, beinhaltet das Herstellungsverfahren ferner die Erzeugung eines oder mehrerer Zugangslöcher 140 durch die Basis 134 einer entsprechenden von den Nuten 132, um die Nut 132 mit dem entsprechenden hohlen Innenraum 114 in Fluidverbindung zu bringen. Die Zugangslöcher sind vorstehend beschrieben und können beispielsweise unter Anwendung von einem oder mehreren von Laserbearbeitung (Laserbohren), Abrasivflüssigkeitsstrahl, Funkenerosionsbearbeitung (EDM) und Elektronenstrahlbohren hergestellt werden.
Wie in 20 dargestellt, beinhaltet das Herstellungsverfahren ferner die Abscheidung einer Beschichtung 150 über wenigstens einen Teil der Oberfläche 112 des Substrates 110 dergestalt, dass die Nuten 132 und die Beschichtung 150 zusammen einen oder mehrere Kanäle 130 zum Kühlen der Komponente 100 definieren. Dieses kann die Abscheidung von einer oder mehreren Lagen 54 einer Aufbaubeschichtung und optional die Abscheidung zusätzlicher Beschichtungslagen 56 über der Aufbaubeschichtung 54 beinhalten. Beispielsweise können eine Haftbeschichtung und/oder eine Wärmesperrschicht (TBC) für bestimmte Anwendungen verwendet werden. Jedoch wird für andere Anwendungen keine zusätzliche Beschichtung verwendet. Die Aufbaubeschichtung 54 und die optionale zusätzliche Beschichtung 56 können unter Anwendung einer Vielfalt von Techniken abgeschieden werden. Für spezielle Prozesse wird die Aufbaubeschichtung 54 durch Durchführen einer Ionenplasmaabscheidung (Kathodenlichtbogen) abgeschieden. Beispiele von Ionenplasmaabscheidungsvorrichtungen und -verfahren sind in dem gemeinsam übereigneten US Patentanmeldungsoffenlegung No. 20080138529, Weaver et al., ”Verfahren und Vorrichtung zur Kathodenentladungs-Ionen-Plasmaabscheidung”, welche hierin durch Verweis ihrer Gesamtheit enthalten ist, beschrieben. Kurz gesagt, beinhaltet Ionenplasmaabscheidung die Platzierung einer aus Beschichtungsmaterial ausgebildeten Kathode in einer Vakuumumgebung in einer Vakuumkammer, die Bereitstellung eines Substrates 110 in der Vakuumumgebung, die Zuführung eines Stroms zu der Kathode zum Erzeugen eines kathodischen Lichtbogens auf einer Kathodenoberfläche, was zu einer lichtbogeninduzierten Erosion eines Beschichtungsmaterials von der Kathodenoberfläche und Abscheidung des Beschichtungsmaterials von der Kathode auf die Substratoberfläche 112 führt.
In einem nicht einschränkenden Beispiel weist der Ionenplasma-Abscheidungsprozess einen Plasma-Dampfabscheidungsprozess auf. Nicht einschränkende Beispiele der Beschichtung beinhalten eine Aufbaubeschichtung 54 sowie Haftbeschichtungen und oxidationsbeständige Beschichtungen (welche individuell sind und hierin zusammengefasst mit den Bezugszeichen 56 bezeichnet werden), wie es nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf das US Patent No. 5,626,462 beschrieben wird. Für bestimmte Heißgaspfadkomponenten 100 weist die Aufbaubeschichtung 54 eine Legierung auf Nickel-Basis oder Kobalt-Basis und insbesondere eine Superlegierung oder eine (NiCo)CrAlY-Legierung auf. Beispielsweise kann, wenn das Substratmaterial eine Superlegierung auf Ni-Basis ist, die sowohl γ als auch γ'-Phasen enthält, die Aufbaubeschichtung 54 ähnliche Materialzusammensetzungen aufweisen, wie es detaillierter unter Bezugnahme auf das US Patent No. 5,626,462 diskutiert wird.
Für weitere Prozessausgestaltungen wird die Aufbaubeschichtung 54 durch Durchführen wenigstens eines von einem Thermospritzprozess und einem Kaltspritzprozess ausgeführt. Beispielsweise kann der Thermospritzprozess ein Verbrennungsspritzen oder Plasmaspritzen aufweisen, wobei das Verbrennungsspritzen aus Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoffspritzen (HVOF) oder Hochgeschwindigkeitsluftbrennstoffspritzen (HVAF) besteht, und das Plasmaspritzen aus atmosphärischem (zum Beispiel Luft- oder Inertgas-) Plasmaspritzen oder Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) welches ebenfalls als Plasmaspritzen oder VPS bekannt ist, besteht. In einem nicht einschränkenden Beispiel wird eine NiCrAlY-Beschichtung durch HVOF oder HVAF abgeschieden. Weitere Beispieltechniken zur Abscheidung der Aufbaubeschichtungen 54 beinhalten ohne Einschränkung, Sputtern, physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl, stromloses Galvanisieren und Elektrogalvanisieren.
Für bestimmte Ausgestaltungen ist es erwünscht, mehrere Abscheidungstechniken für die Abscheidung der Lagen der Aufbaubeschichtung 54 und optionalen Zusatzbeschichtung 56 zu verwenden. Beispielsweise kann eine erste Beschichtungslage unter Anwendung von Ionenplasmaabscheidung abgeschieden werden, und eine anschließende abgeschiedene Lage und optionale (nicht dargestellte) zusätzliche Lagen können unter Anwendung anderer Techniken abgeschieden werden, wie zum Beispiel durch einen Verbrennungsspritzprozess oder einen Plasmaspritzprozess. Abhängig von den verwendeten Materialien kann die Verwendung unterschiedlicher Abscheidungstechniken für die Beschichtungslagen Vorteile in der Spannungstoleranz und/oder Duktilität bereitstellen.
Allgemeiner und wie im US Patent No. 5,626,462 diskutiert, umfasst das zum Erzeugen der Beschichtung 150 verwendete Material jedes geeignete Material. Für den Fall einer gekühlten Turbinenkomponente 100 muss das Aufbaubeschichtungsmaterial in der Lage sein, Temperaturen bis zu etwa 1150°C zu widerstehen, während die TBC-Temperaturen bis zu etwa 1425°C widerstehen kann. Die Aufbaubeschichtung 54 muss zu der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 des Substrates 110 kompatibel und zur Haftung daran angepasst sein, wie es in der gemeinsam übereigneten US Patentanmeldung No. 12/943,563 Bunker et al. ”Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands unter Nutzung einer flüchtigen Beschichtung”, entsprechend der GE Dokument No. 245561-1 , welche hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist, diskutiert wird.
Wie in dem US Patent No. 5,626,462 diskutiert können, wenn das Substratmaterial eine Superlegierung auf Ni-Basis, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthält oder eine intermetallische NiAl-Legierung ist, die Materialien für die Aufbaubeschichtung 54 ähnliche Materialzusammensetzungen wie das Substrat haben. Eine derartige Kombination der Materialien der Beschichtung 54 und des Substrates 110 wird für spezielle Anwendungen bevorzugt, wie zum Beispiel wenn die maximale Betriebstemperaturumgebung ähnlich der vorhandener Triebwerke ist (zum Beispiel unter 1650°C). In dem Falle, in welchem das erste Material des Substrates 110 eine Legierung auf Nb-Basis, eine intermetallische Legierung auf NiAl-Basis oder eine intermetallische Legierung auf TiAl-Basis ist, kann die Aufbaubeschichtung 54 beispielsweise ähnliche Materialzusammensetzungen aufweisen.
Wie im US Patent No. 5,626,462 diskutiert, wird es für weitere Anwendungen, wie zum Beispiel Anwendungen, die eine Temperatur, Umgebung oder andere Einschränkungen vorgeben, die die Verwendung einer monolithisch metallischen oder intermetallischen Legierungsbeschichtung 54 unangemessen machen, bevorzugt, dass die Aufbaubeschichtung 54 Verbundwerkstoffe aufweist. Die Verbundwerkstoffe können aus intermetallischen und metallischen Legierungs-(I_S+M)-Phasen und intermetallischen-(+I_M)-Phasen bestehen. Die Metalllegierung M kann dieselbe Legierung sein, wie sie für das Substrat 110 verwendet wird oder ein anderes Material abhängig von den Anforderungen an die Komponente 100. Ferner müssen die zwei Bestandteilphasen chemisch kompatibel sein, wie es in der US Patentanmeldung Ser. No. 12/934,563 Bunker et al. diskutiert ist. Es ist auch anzumerken, dass innerhalb einer vorgegebenen Beschichtung mehrere I_S+M- oder I_S + I_M-Verbundwerkstoffe ebenfalls verwendet werden können, und derartige Verbundwerkstoffe nicht auf Zwei-Material oder Zwei-Phasen-Kombinationen beschränkt sind. Zusätzliche Details bezüglich exemplarischer Aufbaubeschichtungsmaterialien sind in dem US Patent No. 5,626,462 gegeben.
Bezug nehmend auf die 3 bis 6, 9 bis 13, 15 und 16 beinhaltet das Herstellungsverfahren ferner die Erzeugung eines oder mehrerer Gräben 60 durch eine oder mehrere Schichten 54, 56 der Beschichtung 150 hindurch, um wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich 62 für den bzw. die Kühlkanäle 130 zu definieren. Für spezielle Ausgestaltungen weist die Beschichtung 150 wenigstens eine Aufbaubeschichtung 54 und eine Außenbeschichtung 56 auf. Für die in den 3, 4, 6 und 11 bis 16 dargestellten exemplarischen Ausführungsformen sind der eine oder die mehreren Gräben 60 so ausgebildet, dass sie sich durch die Aufbaubeschichtung 54 und die Außenbeschichtung 56 hindurch erstrecken, um wenigstens einen Austrittsbereich 62 für den einen oder die mehreren Kühlkanäle 130 zu definieren. Vorteilhaft werden, indem Beschichtungen als ein flacher Graben, der mehrere Kanalaustritte/enden verbindet (und dadurch die Kanalenden als Kühl-”Löcher” offenlegt, die ihre Strömung in den Graben injizieren), unter Anwendung einer Operation wie zum Beispiel einer abrasiven Wasserstrahlabtragung entfernt werden, um einen Streifen der Beschichtungen für mehrere Mikrokanäle in einer Reihe sauber und präzise zu entfernen, die Herstellungskosten reduziert, während gleichzeitig das Filmverhalten beibehalten wird.
Insbesondere können der bzw. die Gräben 60 unter Verwendung eines oder mehreren von Abrasivflüssigkeitsstrahl, elektrochemischer Tauchbearbeitung (ECM), Funkenerosionsbearbeitung (EDM) mit einer rotierenden Elektrode (”Fräs-EDM”) und Laserbearbeitung (Laserbohren) und herkömmliches CNC-Fräsen hergestellt werden. Jede dieser Techniken kann zur Bearbeitung metallischer Beschichtungen eingesetzt werden. Wenn eine oder mehrere von den Beschichtungen nicht metallisch sind, können dann der bzw. die Graben unter Verwendung von einem oder mehreren von einem Abrasivflüssigkeitsstrahl, Laserbearbeiten und herkömmlichen CNC-Fräsen erzeugt werden. Exemplarische Wasserstrahlbohrprozesse und Systeme wurden vorstehend unter Bezugnahme auf die US Patentanmeldung Ser. No. 12/790,675 beschrieben. Wie vorstehend angemerkt, sind exemplarische Laserbearbeitungstechniken in der US Patentanmeldung No. 12/697,005 beschrieben, und exemplarische EDM-Techniken sind in der US Patentanmeldung Ser. No. 12/790,675 beschrieben. Für weitere Prozessausgestaltungen können der bzw. die Gräben unter Verwendung einer Maskierungstechnik erzeugt werden, wobei in diesem Falle die Beschichtungen unter Verwendung einer Maske aufgebracht werden, sodass die Beschichtungen nicht in dem oder in den Gräben 60 aufgebracht werden. Maskierungsverfahren erfordern typischerweise zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, wie beispielsweise die Verwendung von einer oder mehreren der vorstehend genannten Materialentfernungstechniken.
Für viele Ausgestaltungen von Heißgaspfadkomponenten weist die Beschichtung 150 wenigstens eine Aufbaubeschichtung 54 und eine Außenbeschichtung 56 auf. Für die in den 9 und 10 dargestellte Ausgestaltung werden die Gräben 60 so ausgebildet, dass sie sich durch die Außenbeschichtung 56 aber nicht vollständig durch die Aufbaubeschichtung 54 hindurch erstrecken. Für diese Ausgestaltung beinhaltet das Verfahren ferner die Ausbildung einer oder mehrerer Filmkühlungslöcher 142 durch die Aufbaubeschichtung 54 hindurch, um den bzw. die entsprechenden Kühlkanäle 130 mit dem entsprechenden Graben 60 zu verbinden, wie es beispielsweise in 10 dargestellt, ist. Für diese Ausgestaltung definieren das bzw. die Filmkühlungslöcher 142 und der bzw. die Gräben 60 den wenigstens einen Austrittsbereich 62. Filmkühlungslöcher 142 können unter Anwendung von einer oder mehreren von der Vielfalt von Techniken einschließlich Abrasivflüssigkeitsstrahl, Tauch-ECM, EDM mit einer rotierenden Elektrode (”Fräs-EDM”), herkömmliches EDM (die Elektrode rotiert nicht) und Laserbearbeitung hergestellt werden.
Vorteilhaft stellt die Einbringung von Gräben in die Oberfläche der Heißgaspfadkomponente ein relativ preiswertes Mittel zur Erzeugung von Austrittsbereichen von Kühlkanälen dar, die sich entlang der Oberfläche des Komponentensubstrats erstrecken. Zusätzlich können die Graben ferner zur Verbesserung der Kühlung der Oberfläche der Heißgaspfadkomponenten dienen, indem sie das die Kanäle verlassende Kühlmittel in engen Kontakt mit der Außenoberfläche halten, statt es schnell davon zu trennen und unerwünscht mit den Verbrennungsgasen zu vermischen. Ferner ermöglicht die Verwendung von Gräben, um wenigstens teilweise die Austrittsbereiche für die Kühlkanäle zu definieren, eine flexiblere Ausrichtung der Filmkühlung in Bezug auf das Layout der Kühlkanäle, was die Kühlung weiter verbessern kann.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie unter den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
Es wird eine Komponente 100 offengelegt. Die Komponente enthält ein Substrat 110, das eine Außenoberfläche 112 und eine Innenoberfläche 116 aufweist. Die Innenoberfläche definiert wenigstens einen hohlen Innenraum 114 und die Außenoberfläche definiert eine oder mehrere Nuten 132, die sich wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche des Substrates erstrecken und eine entsprechende Basis 134 haben. Ein oder mehrere Zugangslöcher 140 sind durch die Basis einer entsprechenden Nut hindurch ausgebildet, um die Nut mit dem entsprechenden hohlen Innenraum in Fluidverbindung zu bringen. Die Komponente enthält ferner eine Beschichtung 150, die eine oder mehrere über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Lagen 54, 56 aufweist. Die Nut(en) und die Beschichtung definieren zusammen einen oder mehrere Kanäle 130 zum Kühlen der Komponente. Ein oder mehrere Gräben 60 sind durch die eine oder die mehreren Beschichtungslagen 54, 56 hindurch ausgebildet und definieren wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich 62 für den oder die Kühlkanäle. Ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente 100 wird ebenfalls bereitgestellt.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinensystem
12: Verdichter
14: Brenner
16: Turbine
18: Welle
20: Brennstoffdüse
52: Oberflächennormale
54: Aufbaubeschichtung
56: Außenbeschichtung(en)
60: Graben
62: Austrittsbereich(e)
64: Beschichtungsstege
66: Austrittswand
68: Eintrittswand
70: Grabenbodenfläche
72: erstes Ende des Grabens
74: zweites Ende des Grabens
80: Heißgaspfadstrom
100: Heißgaspfadkomponente
110: Substrat
112: Außenoberfläche des Substrats
114: hohler Innenraum
116: Innenoberfläche des Substrats
130: rückspringend geformte Kanäle
132: rückspringend geformte Nut(en)
134: Basis der Nut
136: oberer Bereich (Öffnungen der Nut)
138: Wand der rückspringend geformten Nut
160: Zugangsloch
142: Filmkühlungsloch
144: poröser Spalt
150: Beschichtung(en)
160: Abrasivflüssigkeitsstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5626462 [0036, 0059, 0059, 0062, 0063, 0064, 0064]
GE 246424-1 [0041]
GE 247894-1 [0044]
GE 245561-1 [0062]

Claims

Komponente (100), aufweisend: ein Substrat (110), das eine Außenoberfläche (112) und eine Innenoberfläche (116) aufweist, wobei die Innenoberfläche wenigstens einen hohlen Innenraum (114) definiert, wobei die Außenoberfläche (112) eine oder mehrere Nuten (132) definiert, wobei sich jede von der einen oder den mehreren Nuten (132) wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche (112) des Substrates (110) erstreckt und eine Basis (134) hat, wobei ein oder mehrere Zugangslöcher (140) durch die Basis (134) einer entsprechenden Nut (132) hindurch ausgebildet sind, um die Nut (132) mit entsprechenden von dem wenigstens einem hohlen Innenraum (114) in Fluidverbindung zu bringen; und eine Beschichtung (150) mit einer oder mehreren Lagen (54, 56), die über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche (112) des Substrates (110) angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren Nuten (132) und die Beschichtung (150) zusammen einen oder mehrere Kanäle (130) zum Kühlen der Komponente (100) definieren, wobei ein oder mehrere Gräben (60) durch eine oder mehrere Beschichtungslagen (54, 56) der Beschichtung (150) hindurch ausgebildet sind, und wobei wenigstens der eine oder mehrere Gräben (60) wenigstens teilweise einen Austrittsbereich (62) für den einen oder mehrere Kühlkanäle (130) definieren.
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (150) wenigstens eine Aufbaubeschichtung (54) und eine Außenbeschichtung (56) aufweist, und wobei der eine oder mehrere Gräben (60) sich durch die Aufbaubeschichtung (54) und die Außenbeschichtung (56) hindurch erstrecken, um den wenigstens einen Austrittsbereich (62) für den einen oder mehrere Kühlkanäle (130) zu definieren.
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei mehrere Gräben (40) durch die eine oder mehreren Schichten (54, 56) der Beschichtung (150) hindurch ausgebildet sind.
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei mehrere Nuten (132) in dem Substrat ausgebildet sind, wobei mehrere Kühlkanäle (130) durch die Beschichtung (150) und die Nuten (132) definiert sind, und wobei wenigstens einer von dem einen oder den mehreren Gräben (60) einen oder mehrere Beschichtungsstege (64) angrenzend an entsprechende Austrittsbereiche (62) enthält.
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei der eine oder mehrere Gräben (60) eine im Winkel angeordnete Austrittswand (66) haben.
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei eine Bodenfläche (70) des Grabens (60) an einem ersten Ende (72) des Grabens (60) kleiner als an einem zweiten Ende (74) des Grabens (60) ist.
Komponente (100) nach Anspruch 6, wobei mehrere Nuten (132) in dem Substrat ausgebildet sind, wobei mehrere Kühlkanäle (130) durch die Beschichtung (150) und die Nuten (132) definiert sind, und wobei die Kanäle (130) in der Nähe zu dem zweiten Ende (74) des Grabens (60) näher beabstandet sind als in der Nähe des ersten Endes (72) des Grabens (60).
Komponente (100) nach Anspruch 6, wobei mehrere Nuten (132) in dem Substrat ausgebildet sind, wobei mehrere Kühlkanäle (130) durch die Beschichtung (150) und die Nuten (132) definiert sind, und wobei die Kühlkanäle (130) in der Nähe zu dem ersten Ende (72) des Grabens (60) im Volumen kleiner sind als in der Nähe des zweiten Endes (74) des Grabens (60).
Komponente (100) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (150) wenigstens eine Aufbaubeschichtung (54) und eine Außenbeschichtung (56) aufweist, wobei sich der eine oder die mehreren Graben (60) durch die Außenbeschichtung (60) hindurch erstrecken aber sich nicht vollständig durch die Aufbaubeschichtung (54) hindurch erstrecken, wobei sich eines oder mehrere Filmkühlungslöcher (142) durch die Aufbaubeschichtung (54) hindurch erstrecken, um den entsprechenden einen oder mehrere Kühlkanäle (130) mit dem entsprechenden Graben (60) dergestalt zu verbinden, dass das eine oder mehrere Filmkühlungslöcher (142) und der eine oder mehrere Gräben (60) den wenigstens einen Austrittsbereich (62) definieren.
Verfahren zum Herstellen einer Komponente (100), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen einer oder mehrerer Nuten (132) in einer Außenoberfläche (112) eines Substrates (110), wobei das Substrat (110) wenigstens einen hohlen Innenraum (114) hat, wobei sich jede von der einen den mehreren Nuten (132) wenigstens teilweise entlang der Außenoberfläche (112) des Substrates (110) erstreckt und eine Basis (134) hat; Erzeugen eines oder mehrerer Zugangslöcher (140) durch die Basis (134) einer entsprechenden von der einen oder den mehreren Nuten (132) hindurch, um die Nut (132) mit entsprechenden von dem wenigstens einen hohlen Innenraum (114) in Fluidverbindung zu bringen; Abscheiden einer Beschichtung (150) über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche (112) des Substrates (110) dergestalt, dass die eine oder die mehreren Nuten (132) und die Beschichtung (150) zusammen einen oder mehrere Kanäle (130) zur Kühlung der Komponente (100) definieren; und Erzeugen eines oder mehrerer Gräben (60) durch die eine oder mehreren Lagen (54, 56) der Beschichtung (150) hindurch, um wenigstens teilweise wenigstens einen Austrittsbereich (62) für den einen oder mehrere Kühlkanäle (130) zu definieren.