DE102011056905A1

DE102011056905A1 - Kühlkanalsysteme für mit Beschichtungen überzogene Hochtemperaturkomponenten und zugehörige Verfahren

Info

Publication number: DE102011056905A1
Application number: DE102011056905A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: CN102562176B; CN102562176A; JP5993144B2; JP2012136776A; FR2969691B1; US8753071B2; FR2969691A1; US20120163984A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente beschrieben. Wenigstens ein Mikrokanal wird in einer Außenoberfläche der Komponente erzeugt, und ein oder mehrere Kühlmitteldurchlasslöcher werden dann erzeugt, die sich von wenigstens einem der Mikrokanäle zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken. Eine Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung wird dann über der Außenoberfläche aufgebracht. Wenigstens ein Schlitz oder ein Satz von relativ kleinen passiven Kühllöchern werden dann durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung hindurch erzeugt, die sich in wenigstens einen Abschnitt der Mikrokanäle erstrecken. Eine zweite Beschichtungslage wird dann über der ersten Lage aufgebracht. In einigen Ausführungsformen wird ein Opfermaterial in den Mikrokanälen abgeschieden, bevor die erste Beschichtungslage aufgebracht wird. Zugehörige Artikel werden ebenfalls beschrieben.

Description

Hintergrund der Erfindung
Allgemein betrifft die Erfindung Hochtemperaturkomponenten, die von Schutzbeschichtungen überdeckt sind und durch verschiedene Luftströmungssysteme gekühlt werden. In einigen spezifischen Ausführungsformen sind die Hochtemperaturkomponenten Teil einer Gasturbine.
Turbinensysteme werden in breitem Umfang auf Gebieten, wie z. B. der Stromerzeugung, eingesetzt. Ein zur Stromerzeugung eingesetztes herkömmliches Gasturbinensystem enthält einen Verdichter, einen Brenner und eine Turbine. Typischerweise erzeugt ein derartiges Gasturbinensystem Hochtemperaturströme von Gas durch einen von den Komponenten der Turbine definierten Strömungspfad. Strömungen mit höherer Temperatur sind im Allgemeinen erwünscht, da sie zu einem verbesserten Verhalten, Wirkungsgrad und Energieabgabe des Gasturbinensystems führen können. Die Hochtemperaturströmungen sind typischerweise Verbrennungsarten und Strömungsbedingungen in Verbindung mit einer korrekten Funktion des Gasturbinensystems zugeordnet oder zeigen diese an. (Im Allgemeinen können während des Gasturbinenbetriebs beispielsweise Verbrennungsgase ca. 1600 bis 1700°C überschreiten, was höher als die Schmelzpunkte der Maschinenkomponenten ist).
Wie erwartet, können derart hohe Temperaturen eine zu starke Erhitzung der Komponenten in dem Strömungspfad bewirken. Eine derartige Erhitzung kann wiederum bewirken, dass eine oder mehrere von diesen Komponenten beschädigt werden, oder sich außerhalb der ”Spezifikation” bewegen, was zu einer verkürzten Betriebslebensdauer führt. Somit müssen aufgrund der Erwünschtheit dieser Hochtemperaturströmungsbedingungen in einem korrekt arbeitenden System die Komponenten, die Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sind, gekühlt werden, um einen Betrieb des Gasturbinensystems mit Strömungen bei erhöhten Temperaturen zu ermöglichen.
Eine Anzahl von Strategien kann zur Kühlung von Komponenten eingesetzt werden, die Hochtemperaturströmungen ausgesetzt sind. Diese Komponenten sind typischerweise als ”Heißgaspfadkomponenten” bekannt. Jedoch führen viele von den eingesetzten Kühlstrategien zu vergleichsweise niedrigen Wärmeübertragungsraten und ungleichmäßigen Komponententemperaturprofilen, was für das Erreichen einer gewünschten Kühlung unzureichend sein kann. Einige von den Kühlstrategien können auch den Gesamtwirkungsgrad der Turbine verringern, da sie eine zu große Menge von Kühlluft aus dem Verdichter der Maschine umleiten.
Für einen zusätzlichen Schutz vor der Hochtemperaturgasströmung können die exponierten Außenwände der Heißgaspfadkomponenten mit einem Wärmedämmschicht-(TBC)-System abgedeckt sein, welches eine Wärmeisolation bereitstellt. TBC-Systeme enthalten üblich wenigstens einen keramischen Überzug und eine darunterliegende metallische Haftschicht. Die Vorteile von Wärmedämmschichtsystemen sind allgemein bekannt.
In den meisten dieser 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 Kühldurchlässe oder Serpentinen in einer Heißgaspfadkomponente ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann den Serpentinen aus einem Sammelraum zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch diese Durchlässe unter Kühlung des Substrates und der Beschichtungen der Heißgaspfadkomponente strömen. Diese Kühlstrategie führt jedoch zu relativ niedrigen Wärmeübertragungsraten und ungleichmäßigen Komponententemperaturprofilen führen.
Nikrokanalkühlung hat das Potential, signifikant Kühlungsanforderungen zu reduzieren, indem die Kühlungseinrichtungen so nahe wie möglich an der erhitzten Zone platziert werden. Auf diese Weise kann die Temperaturdifferenz zwischen der ”heißen Seite” und der ”kalten Seite” des die Hauptlast tragenden Substratmaterials einer Komponente erheblich für eine gegebene Wärmeübertragungsrate verringert werden. Die Ausbildung und Nutzung von Mikrokühlkanälen ist in der anhängigen U.S. Anmeldung S.N. 12/953,177 (Ronald Bunker et al.), eingereicht am 23. November 2010, beschrieben und an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen. Zusätzliche Details bezüglich dieser Kanäle werden nachstehend erläutert. Im Wesentlichen werden die Kanäle in einer Außenoberfläche der Heißgaspfadkomponente erzeugt und sind dafür ausgelegt, den Durchlass eines Kühlfluids, wie z. B. verdichteter Luft, die aus dem Turbinenverdichter stammt, zu ermöglichen. Die Strömung des Kühlfluids kann dadurch benachbarte oder unmittelbar anliegende Bereiche der Komponenten durch konvektive Kühlung kühlen. Beispielsweise kann dieser Typ eines Kühlsystems Wärme aus der Komponente abführen oder aus einer oder mehreren von den auf der Komponente angeordneten Schutzschichten an das Kühlmedium übertragen.
Obwohl die Verwendung von Mikrokanälen die vorgenannten Attribute bereitstellen kann, verbleiben einige Nachteile in dieser Art eines Kühlsystemschemas – insbesondere in dem Fall von Gasturbinenkomponenten. Beispielsweise erfordert in einigen Fällen die Abscheidung von Schutzlagen über den Kanälen üblicherweise die Verwendung eines Opfermaterials zum Füllen der Kanäle und der darunterliegenden Durchlasslöcher vor dem Abscheidungsprozess. Die erforderliche Entfernung des Opfermaterials (z. B. durch Auslaugen, nachdem die Beschichtungen aufgebracht worden sind, kann ein langsamer Prozess sein). Es gibt nur eine eingeschränkte Anzahl von Auslässen für das Opfermaterial, wie z. B. die unteren Zugangsstellen für die Auslasslöcher und diese Auslässe sind relativ klein.
Ferner ist bei dieser Art von Kühlsystem das TBC-System besonders für den Schutz des Substrates vor widrigen Umgebungs- und Wärmeeffekten wichtig. (Die TBC stellt auch eine aerodynamisch glatte Oberfläche für den Kühlmittelstrom bereit). Jedoch hinterlässt ein Verlust von Teilen des TBC-Systems – durch Beschädigung oder allgemeinen Beschichtungsausfall – den darunterliegenden Mikrokanal an seiner Außenoberfläche offen und dadurch direkt den heißen Gastemperaturen ausgesetzt. Dieses kann wiederum zu einem ernsthaften Schaden an der Komponente führen.
Angesichts dieser Überlegungen wären neue Verfahren und Strukturen für die Verbesserung der Kühlmöglichkeiten in Gasturbinen und anderen Hochtemperaturkomponenten im Fachgebiet willkommen. Die Innovationen sollten das Betriebsverhalten des Kühlsystems und der Anwendung von Mikrokanälen und Kühldurchlasslöchern verbessern, ohne den Turbinenwirkungsgrad signifikant zu verringern. Ferner liegt ein erhebliches Interesse an der Verbesserung von Herstellungsprozessen vor, die bei der Ausbildung des Kühlsystems und der Schutzbeschichtungssysteme eingesetzt werden. Ferner werden Kühlsystemstrukturen, die eine zusätzliche Kühlmittelströmung in dem Fall eines TBC-Teilausfalls bereitstellen, von beträchtlichem Wert. Die Filmkühlungsstrukturen sollten auch nicht die Festigkeit und Integrität des Turbinenteils beeinträchtigen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Eine Ausführungsform dieser Erfindung ist auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente gerichtet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Erzeugen wenigstens eines Mikrokanals in einer Außenoberfläche der Komponente;
b) Erzeugen eines oder mehrerer Kühlmitteldurchlasslöcher, die sich von wenigstens einem von den Mikrokanälen zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken;
c) Füllen der Mikrokanäle und der Kühlmitteldurchlasslöcher mit einem Füllmaterial;
d) Aufbringen einer ersten Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung über der Außenoberfläche;
e) Erzeugen wenigstens eines Schlitzes oder eines Satzes von relativ kleinen passiven Kühllöchern durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung, wobei sich der Schlitz oder die passiven Kühllöcher in wenigstens einen Abschnitt von einem der gefüllten Mikrokanäle erstrecken, welche im Wesentlichen unter dem Schlitz oder unter den passiven Kühllöchern ausgebildet sind;
f) Entfernen des Füllmaterials; und
g) Aufbringen wenigstens einer zweiten Beschichtungslage über der ersten Lage.

Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente gerichtet. Das Verfahren weist die nachstehenden Schritte auf:

A) Erzeugen wenigstens eines Mikrokanals in einer Außenoberfläche der Komponente;
B) Erzeugen eines oder mehrerer Kühlmitteldurchlasslöcher, die sich von wenigstens einem von den Mikrokanälen zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken;
C) Aufbringen einer ersten Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung über der Außenoberfläche
D) Erzeugen wenigstens eines Schlitzes oder eines Satzes von relativ kleinen passiven Kühllöchern durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung, wobei sich der Schlitz oder die passiven Kühllöcher in wenigstens einen Abschnitt von einem der gefüllten Mikrokanäle erstrecken, welche im Wesentlichen unter dem Schlitz oder unter den passiven Kühllöchern ausgebildet sind; und
E) Aufbringen wenigstens einer zweiten Beschichtungslage über der ersten Lage.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Hochtemperaturkomponente, die eine Außenwand mit mehreren darin enthaltenen Mikrokanälen enthält, wobei sich mehrere Kühlmitteldurchlasslöcher von einer unteren Oberfläche von einem oder mehreren der Mikrokanäle in einen Innenbereich der Komponente erstrecken;
wobei die Außenwand von wenigstens einer metallischen Beschichtung abgedeckt ist; und wobei
sich wenigstens ein Schlitz oder mehrere passive Kühllöcher durch eine erste Lage der metallischen Beschichtung hindurch in wenigstens einen Abschnitt von einem oder mehreren der darunterliegenden Mikrokanäle erstrecken und der Schlitz oder die passiven Kühllöcher an einem Außenende durch wenigstens eine zweite Beschichtungslage verschlossen sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems.
2 ist ein schematischer Querschnitt einer exemplarischen Schaufelblattausgestaltung mit einem über einer Außenoberfläche des Schaufelblattes aufgebrachten Beschichtungssystem.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Hochtemperatursubstrates, in welchem Mikrokanäle und passive Kühllöcher ausgebildet werden.
4 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 3, in welchem Mikrokanäle ausgebildet worden sind.
5 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 4, in welchem Durchlasslöcher durch das Substrat hindurch ausgebildet worden sind.
6 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 5, in welchem ein Füllmaterial aufgebracht worden ist.
7 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 6, in welchem eine erste Beschichtungslage aufgebracht worden ist.
8 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 7, in welchem passive Kühllöcher ausgebildet worden sind.
9 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 8, in welchem das Füllmaterial entfernt worden ist.
10 ist eine perspektivische Ansicht des Substrates von 9.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Substrates ähnlich 9 gemäß einer alternativen Ausführungsform.
12 ist eine Querschnittsansicht des Substrates von 9, in welchem eine zweite Lage eines Aufbaubeschichtungsmaterials über der ersten Lage aufgebracht worden ist.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Hochtemperaturkomponente gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Jede nachstehend präsentierte Ausführungsform ermöglicht die Erläuterung bestimmter Aspekte der Erfindung und sollte nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung gesehen werden. Des Weiteren kann eine approximierende Sprache, so wie sie hierin durchgängig durch die Beschreibung und Ansprüche verwendet wird, dazu angewendet werden, jede quantitative Darstellung zu modifizieren, die erlaubterweise variieren kann, ohne zu einer Veränderung in der Grundfunktion zu führen, auf welche sie sich bezieht. Demzufolge ist ein durch einen Begriff oder Begriffe wie z. B. ”etwa” modifizierter Wert nicht auf den angegebenen genauen Wert beschränkt. In einigen Fällen kann die approximierende Sprache der Genauigkeit eines Instrumentes zum Messen des Wertes entsprechen.
In der nachstehenden Beschreibung und den Ansprüchen sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” mehrere Referenten beinhalten, soweit es der Kontext nicht deutlich anders vorgibt. So wie hierin verwendet, zeigen die Begriffe ”kann” und ”kann sein” eine Möglichkeit eines Vorkommens in einem Satz von Möglichkeiten; eines Besitzes eines spezifizierten Eigenschaft, Charakteristik oder Funktion an, und/oder oder qualifizieren ein anders Verb durch Ausdrücken von einem oder mehr von einer Befähigung, Tauglichkeit oder Möglichkeit in Verbindung mit dem qualifizierten Verb. Demzufolge zeigt die Verwendung von ”kann” und ”kann sein” an, dass ein modifizierter Begriff offensichtlich für eine angezeigte Fähigkeit, Funktion oder Nutzung angebracht, tauglich oder geeignet ist, während gleichzeitig in Betracht gezogen wird, dass unter einigen Umständen der modifizierte Begriff nicht angebracht, tauglich oder geeignet ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems 10 in vereinfachter Form. 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.
Das Gasturbinensystem 10 kann eine Anzahl von Heißgaspfadkomponenten 100 enthalten. Eine Heißgaspfadkomponente ist jede Komponente des Systems 10, die wenigstens teilweise einer Hochtemperaturgasströmung 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.
2 ist ein Draufsichtsquerschnitt einer exemplarischen Schaufelblattkomponente 50, die in vereinfachter Form (z. B. die Kühlmittelzuführungslöcher sind nicht dargestellt) dargestellt ist. Das Schaufelblatt 50 enthält ein Substrat 52 mit einer Außenoberfläche 54 und einer Innenoberfläche 56. Die Innenoberfläche definiert wenigstens einen hohlen Innenraum 58. Wie nachstehend weiter diskutiert, enthält die Außenoberfläche 54 einen oder mehrere Mikrokanäle 59, die sich in den Oberflächenbereich erstrecken. Wie es auch in der nachstehenden Beschreibung detailliert dargestellt wird, ist ein Beschichtungssystem 60 auf der Außenoberfläche angeordnet.
Gemäß 3 kann eine Komponente oder ein Teil 100 (z. B. ein Abschnitt des in 2 dargestellten Schaufelblattes) mittels beliebiger herkömmlicher Mittel hergestellt werden, wie z. B. durch Gießen. Die Komponente enthält ein Substrat 102, in welcher eine Oberfläche 104 die äußere oder nach außen zeigende Oberfläche der Komponente ist, und die gegenüberliegende Oberfläche 106 eine interne oder nach innen zeigende Oberfläche ist. Das Teil wird typischerweise vor der Ausbildung der nachstehend beschriebenen Mikrokanäle gegossen.
Die Komponente 100 kann aus verschiedenen in Hochtemperaturkomponenten verwendeten Legierungen hergestellt werden. Viele sind in dem U. S. Patent 5,626,462 beschrieben, dessen gesamte Inhalte sind hierin durch Verweis beinhaltet sind. Abhängig von der gewünschten Anwendung für die Komponente kann sie aus Superlegierungen auf Ni-Basis, Co-Basis oder Fe-Basis hergestellt sein. Die Komponente kann auch aus einer intermetallischen NiAl-Legierung hergestellt sein, da diese Legierungen bekanntermaßen eine Kombination von überlegenen Eigenschaften einschließlich einer hohen Temperaturfestigkeit und hohen Temperaturkriechbeständigkeit besitzen. (Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in Turbinenanwendungen vorteilhaft, die für Flugzeuge und Land-basierende Stromerzeugung verwendet werden).
Gemäß 4 werden Mikrokanäle 110 (hierin manchmal auch als ”mikrogekühlte Kanäle”, oder einfach als ”Kanäle” bezeichnet) in der Außenoberfläche 104 des Teils 100 gemäß diesen Ausführungsformen erzeugt. So wie in dieser Beschreibung verwendet, ist der Begriff ”Mikrokanal” im Wesentlichen (obwohl nicht immer) als ein Verweis auf einen Kanal oder auf einen Durchlass gemeint, der wenigstens um eine Größenordnung kleiner, z. B. in der Breitenrichtung, als andere Durchlässe oder Kanäle ist, die in oder benachbart zu einer Gasturbinen- oder anderen Hochtemperaturkomponente ausgebildet sind. Wie weiter nachstehend beschrieben, kann ein Mikrokanal eine durchschnittliche Breite von ca. 1 mm haben, während andere Arten von Durchlässen in Verbindung mit der Komponente eine durchschnittliche Breite von mehr als etwa 10 mm haben können. Ferner sind die meisten Mikrokanäle auf oder in einer Oberfläche eines Teils angeordnet, während viele von den Typen größerer Kanäle nicht auf einer Oberfläche ausgebildet sind, sondern stattdessen innerhalb der Gießumhüllung des Teils eingeschlossen sind oder innerhalb der Grenzen des Gießteils eingearbeitet sind.
In Übereinstimmung mit den meisten Ausführungsformen sind die in 4 dargestellten Kanäle 110 so ausgelegt oder gestaltet, dass sie den Durchfluss eines Kühlfluids ermöglichen. Der Durchfluss des Kühlfluids kann dadurch benachbarte oder unmittelbar anliegende Bereiche der Komponente 100 durch Konvektionskühlung kühlen, wie es nachstehend weiter beschrieben wird. Wie ebenfalls nachstehend erwähnt, können sich die Mikrokanäle quer über eine beachtliche Länge oder Spanne der Komponente, z. B. im Wesentlichen entlang des Verlaufs des Heißgaspfades, in einem ausgewählten Bereich der Komponente erstrecken, obwohl sie sich in einigen Fällen auch nur über einen Teil der Spanne hinweg erstrecken können.
Die Kanäle 110 können unter der Führung oder Steuerung eines programmierten oder anderweitig automatisierten Prozesses (wie z. B. eines robotergesteuerten Verfahrens) ausgebildet oder eingearbeitet werden, um die gewünschte Größe, Platzierung und/oder Ausgestaltung von Kanälen in der Außenoberfläche 104 zu erzielen. In einigen Fällen können die Kanäle 110 in der Außenoberfläche 104 beispielsweise unter Anwendung von Laserbearbeitung, abrasiven Flüssigkeitsstrahl (z. B. abrasiven Mikrowasserstrahl (AμWJ)), elektrochemische Bearbeitung (ECM), elektrochemische Tauchbearbeitung (Tauch-ECM), Funkenerosionsbearbeitung (EDM), Fräs-Funkenerosionsbearbeitung (Fräs-EDM), Elektronenstrahlbohren, CNC-Bearbeitung oder einen beliebigen anderen Prozess erzeugt werden, der in der Lage ist, Kanäle mit passenden Größen und Toleranzen zu erzeugen.
Die Kanäle werden in einer breiten Vielfalt von Formen und Größen erzeugt. Die vorstehend erwähnte anhängige Anmeldung S.N. 12/953,177 (Bunker et al.) und die hierin durch Verweis beinhaltet ist, beschreibt viele mögliche Merkmale für verschiedene Arten von Mikrokanälen. Weitere Merkmale, wie z. B. ”rückspringend”-geformte Kanäle sind in S.N. 12/943,624 (Bunker et al., eingereicht am 10. November 2010) beschrieben, welche ebenfalls hierin durch Verweis beinhaltet ist. (In dieser Offenlegung wird der offene Abschnitt des Kanals manchmal als eine ”Nut” bezeichnet). Eine Darstellung kann unter Bezugnahme auf die 6 von S.N. 12/943,624 und unter Bezugnahme auf die nachstehend diskutierte 7 der vorliegenden Offenlegung bereitgestellt werden. In dieser Alternative könnte die Basis 111 des Mikrokanals erheblich größer als der obere Bereich 113 des Mikrokanals, z. B. wenigstens 2-mal breiter sein. Diese Art von Geometrie kann manchmal während einer Abscheidung der darüberliegenden metallischen Beschichtung hilfreich sein. Beispielsweise kann die rückspringende Form dazu beitragen, eine Abscheidung der metallischen Beschichtung in dem Mikrokanal in den Fallen zu verhindern, in welchem kein Füll/Opfer-Material in dem Mikrokanal verwendet wird, wie es hierin nachstehend diskutiert wird.
In einigen Ausführungsformen können die Kanäle 110 Tiefen in einem Bereich von ca. 0,2 mm bis ca. 2 mm oder von ca. 0,5 mm bis ca. 1 mm haben. Ferner können die Kanäle 110 in bestimmten Ausführungsformen Breiten in einem Bereich von ca. 0,2 mm bis ca. 2 mm oder von ca. 0,5 mm bis ca. 1 mm haben. Ferner können die Breiten und/oder Tiefen im Wesentlichen für einen Kanal 110 konstant sein oder können im Verlauf des Kanals 110 variieren (z. B. zunehmen, abnehmen, sich verjüngen usw.).
Ferner können gemäß weiterer Bezugnahme auf 4 die Kanäle 110 Querschnitte jeder geeigneten geometrischen Form haben, wie z. B. quadratisch, rechteckig, oval oder dreieckig oder jede andere geometrische Form, die den Durchfluss eines Kühlmediums durch den Kanal 110 ermöglicht. Es dürfte sich verstehen, dass verschiedene Kanäle 110 Querschnitte mit einer bestimmten geometrischen Form haben können, während andere Kanäle 110 Querschnitte mit einer anderen geometrischen Form haben können. Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen die Oberfläche (d. h., die Seitenwände und/oder der Boden) eines Kanals 110 im Wesentlichen eine glatte Oberfläche haben, obwohl in anderen Ausführungsformen die gesamte oder Abschnitte der Kanaloberfläche Vorsprünge, Aussparungen, eine Oberflächentextur oder andere Merkmale dergestalt haben kann, dass die Oberfläche des Kanals nicht glatt ist. Beispielsweise können Oberflächenmerkmale, die auf der Oberfläche des Kanals vorhanden sein können, lamellenförmige Vorsprünge, zylindrisch geformte Vorsprünge, Verwirbelungselemente oder irgendeine andere Kombination sowie jede andere geeignete geometrische Form enthalten, aber nicht darauf beschränkt sein. Es dürfte sich verstehen, dass die Abmessungen aller Oberflächenmerkmale, die vorhanden sind, zur Optimierung der von dem entsprechenden Kanal 110 bereitgestellten Kühlung ausgewählt sein können.
Die Kanäle 110 können im Wesentlichen gerade Kanäle sein, oder können im Wesentlichen gebogene oder Serpentinenkanäle sein. Beispielsweise können alle oder ein Teil der Kanäle 110 als komplexe Kurven vorgesehen sein, oder als eine dreidimensionale Ausgestaltung in Bezug auf die Außenoberfläche 104 des Substrates 100 vorgesehen sein. Tatsächlich kann die Ausgestaltung der Kanäle 110 für die hergestellte Komponente dergestalt spezifisch sein, dass bestimmte Teile der Komponente eine höhere Dichte von Kühlkanälen 110 als andere haben können. D. h., die Ausgestaltung der Kanäle kann speziell unter Berücksichtigung des erwarteten Wärmeprofils der Komponente im Einsatz speziell angepasst sein, wie es ebenfalls in der Anmeldung S. N. 12/953,177 (Bunker et al.) beschrieben ist.
Gemäß Bezugnahme auf 5 können ein oder mehrere Durchlasslöcher 112 durchgestoßen oder gebohrt werden, um einige oder alle von den Kanälen 110 mit einem Innenbereich 114 der Komponente, wie z. B. einem Holminnenraum zu verbinden. Die Durchlasslöcher werden hierin manchmal als ”Kühlmittelzuführungslöcher” oder ”Kühlmitteldurchlasslöcher” bezeichnet, was deren typische Funktion beschreibt. Wie dargestellt, können sich die Löcher 112 im Wesentlichen durch das Substrat 102 hindurch erstrecken und können fluidmäßig die Kanäle 110 mit dem Innenraum 114 verbinden, sowie fluidmäßig einige oder alle von den Kanälen 110 miteinander über den Innenraum 114 verbinden. Beispielsweise kann jeder Kanal 110 fluidmäßig mit wenigstens einem von den Löchern 112 verbunden sein. Die Größe der Durchlasslöcher kann etwas variieren, aber sie haben üblicherweise einen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 0,25 mm bis ca. 0,76 mm (10 mils bis 30 mils). Ferner kann, obwohl die Löcher rechtwinklig innerhalb des Substrates 102 in Bezug auf Oberflächen 104 und 106 dargestellt sind, der Winkel des Loches erheblich, teilweise abhängig von den gewünschten Kühlausgestaltungen, variieren. Viele Techniken können zum Erzeugen der Durchlasslöcher eingesetzt werden, wie z. B. die für die Mikrokanäle genannten Verfahren.
Sobald die Herstellung des Teils 100 abgeschlossen ist und die Kanäle 110 mit einer Aufbaubeschichtungslage und/oder anderen Lage wie nachstehend diskutiert abgedeckt sind, können die Durchlasslöcher 112 den Durchfluss eines über den Innenraum 114 bereitgestellten Kühlmediums zu den Kanälen 110 ermöglichen. Beispielsweise kann, sobald eine Aufbaubeschichtungslage über den entsprechenden Kanälen 110 vorhanden ist, wenigstens ein Kühlkreislauf in oder auf der Oberfläche des Teils 100 durch eine entsprechende fluidmäßige Verbindung des Innenraums 114 mit einem oder mehreren Kanälen 110 über entsprechende Durchlasslöcher 112 definiert sein. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 13 beschrieben, kann der Kühlkreis auch ein Austrittsloch enthalten, das einen Teil des Austrittsbereiches für die Mikrokanäle darstellt. Diese Austrittslöcher werden manchmal als ”Filmlöcher” bezeichnet, welche alle Beschichtungen durchdringen, um einen Außenbereich 115 der Komponente 100 zu erreichen.
Gemäß weiterer Bezugnahme auf 5 kann das Kühlmedium durch einen durch diese Merkmale definierten Kühlkreis abhängig von der Gesamtdruckdifferenz von dem Einlass zu dem Auslass des Kühlkreises strömen. Diese Druckdifferenz kann bewirken, dass ein Teil des in den Kühlkreis eingeschlossenen Kühlmediums in und durch die Durchlasslöcher 112 und von den Löchern 112 in die und durch die Kanäle 110 zu einem oder mehreren Austrittslöchern strömt, um dadurch den Kühlkreis vom Innenbereich des Teils bis zum Außenbereich zu vervollständigen.
Unter Bezugnahme auf 6 und gemäß dieser Ausführungsform werden die Mikrokanäle 110 und die Durchlasslöcher 112 dann mit einem oder mehreren festen Füllmaterialien 120 gefüllt. Diese Materialien, welche während eines nachstehend diskutierten Schrittes chemisch entfernt werden können, werden oft als ”Opfermaterialien” bezeichnet. Ihre Hauptaufgabe ist die Verhinderung des Eindringens eines Beschichtungsmaterials in die Mikrokanäle und die Durchlasslöcher während der anschließenden Beschichtungsschritte.
Eine Vielfalt unterschiedlicher Opfer- oder Füllmaterialien kann verwendet werden. Üblicherweise sind es keramische Materialien (z. B. keramische Kernmaterialien) oder metallische Materialien (z. B. Metalllegierungen oder Metalltinten). Jedoch können in einigen Fällen (abhängig von den für die anschließenden Beschichtungsabscheidungen verwendeten Temperaturen) UV-härtbare Harze (z. B. polymerische Materialien) oder Graphit als Opfermaterial verwendet werden. Das Material sollte eines mit einer Konsistenz sein, welche eine Einführung bis in die Tiefe der Durchlasslöcher ermöglicht.
Geeignete metallische Materialien, die zum Erzeugen des festen Metallfüllmaterials verwendet werden können, können Kupfer, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Nickel, Monel und Nickelchrom umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In einigen spezifischen Ausführungsformen ist das Füllmaterial 120 ein Festdrahtfüllmaterial, das aus einem Elementar- oder Legierungs-Metallmaterial besteht. Beispielsweise kann das Füllmaterial ein verformbares Material sein, wie z. B. ein geglühter Metalldraht, welcher, wenn er mechanisch in den Kanal 110 gedrückt wird, verformt wird, um sich an die Form des Kanals 110 anzupassen. Die vorstehend erwähnte anhängige Anmeldung S. N. 12/953,177 beschreibt diese Technik. (Es dürfte erkennbar sein, dass der Begriff ”Draht”, so wie er hierin verwendet wird, ein festes zusammenhängendes Teil eines Materials bezeichnet, das mit der Querschnittsform der entsprechenden Kanäle 110 übereinstimmt oder mechanisch bis zur Übereinstimmung verformt werden kann).
Gemäß weiterer Bezugnahme auf 6 kann in einigen Ausführungsformen das Metall oder Metalllegierungsmaterial als ein Pulver bereitgestellt werden, das in den Kanal 110 gepresst wird, und sich dem Kanal so anpasst, dass es im Wesentlichen die Kanäle 110 und das Durchlassloch 112 füllt. Jeder Anteil des festen Metallfüllmaterials, der aus dem Kanal 110 vorsteht (d. h. die Überfüllung), kann vor dem Aufbringen von Beschichtungen wie nachstehend diskutiert wegpoliert oder bearbeitet werden. Die Außenoberfläche 104 des Substrates 102 kann dann für die Beschichtung gereinigt und vorbereitet werden. Exemplarische Behandlungstechniken beinhalten Bearbeitung, Sandstrahlen, Waschen, Polieren oder verschiedene Kombinationen davon.
Eine metallische Aufbaubeschichtung 130 wird dann über der Substratoberfläche gemäß Darstellung in 7 aufgebracht. Eine Anzahl metallischer Beschichtungen kann eingesetzt werden, wenn sie zur Ausbildung eines im Wesentlichen nicht-porösen Aufbaus abgeschieden werden können. (Die metallischen Beschichtungen haften auch im Vergleich zu einer keramischen Beschichtung stark an dem Substrat an). Nicht einschränkende Beispiele derartiger metallischer Beschichtungen beinhalten Metallaluminide, wie z. B. Nickelaluminid (NiAl) oder Platinaluminid (PtAl). Weitere Beispiele umfassen Zusammensetzungen mit der Formel MCrAl (X), wobei ”M” ein Element ist, das aus der aus Fe, Co und Ni und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und ”X” Yttrium, Tantal, Silizium, Hafnium, Titan, Zirkon, Bor, Kohlenstoff oder eine Kombination davon ist. Weitere geeignete metallische Beschichtungen (einschließlich anderer Arten von ”MCrAl(X)”-Zusammensetzungen) sind auch in der angegebenen Anmeldung S. N. 12/953,177, im U. S. Patent 6,511,762 (Lee et al.), welches hierin durch Verweis beinhaltet ist und in dem zuvor erwähnten U.S. Patent 5,626,462 beschrieben. Ferner kann in einigen Fällen die Aufbaubeschichtung 130 aus einem Superlegierungsmaterial (Ni-, Co- oder Fe-basierend) aufgebaut sein, wie z. B. aus einem Material ähnlich oder identisch mit dem das Substrat 102 ausbildenden.
Die erste Aufbaubeschichtung 130 kann mittels einer Vielfalt von Techniken aufgebracht werden. Nicht einschränkende Beispiele beinhalten physikalische Dampfabscheidungs-(PVD)-Prozesse, wie z. B. Elektronenstrahl (EB-), Ionenplasmaabscheidung oder Sputtern). Wärmespritzprozesse können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. Luftplasmaspritzen (APS), Niederdruckplasmaspritzen (LPPS), Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Brennstoff-Spritzen (HVOF) oder Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Spritzen (HVAF). Die Wahl einer speziellen Technik hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. dem spezifischen Typ der aufgebrachten Beschichtung, der gewünschten Dicke, der Größe des Kanals, der Größe und Anzahl zu beschichtender Teile und von der Art des verwendeten Opfermaterials. In einigen Fällen ist Ionenplasmaabscheidung besonders geeignet. Ein derartiges System wird als Kathodenlichtbogen-Ionenplasmaabscheidung bezeichnet. Es ist in der U.S. Patentanmeldungsoffenlegung No. 2008/0138529 , Weaver et al., veröffentlicht am 12. Juni 2008 beschrieben, welches hierin durch Verweis beinhaltet ist.
Die Dicke der metallischen Aufbaubeschichtung hängt von verschiedenen Faktoren ab. Diese umfassen: den spezifischen Typ der Beschichtung, den Typ der darüber aufgebrachten Beschichtungen und die geplanten Belastungs/Spannungs-Eigenschaften der Beschichtung an ihrer Grenzfläche mit dem Substrat. Üblicherweise hat die Beschichtung wenigstens ca. 0,13 mm (5 mils) Dicke. In den meisten Ausführungsformen liegt die Dicke in dem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm.
Ein Satz relativ kleiner passiver Kühllöcher wird dann durch die metallische Aufbaubeschichtung entlang des Verlaufs von einem oder mehreren der Mikrokanäle ausgebildet. Gemäß Darstellung in 8 erstrecken sich die passiven Löcher 132 durch die metallische Beschichtung 130 und in das Opfermaterial 120, welches die Mikrokanäle 110 füllt. Die passiven Kühllöcher können durch eine Vielfalt von Techniken erzeugt werden, wovon die meisten vorstehend unter Bezugnahme auf die Durchlasslöcher 112 beschrieben wurden. Beispiele dieser Techniken umfassen EDM, Laser und abrasive Wasserstrahlsysteme.
Passive Löcher 132 werden üblicherweise (jedoch nicht immer) in einem gleichmäßigen Muster in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Obwohl die passiven Löcher als rechtwinklig in Bezug auf die Oberfläche 104 dargestellt sind, können sie in verschiedenen Winkeln von der rechtwinkligen Ausrichtung ausgebildet oder ”angestellt” sein. Ferner müssen die passiven Löcher nicht zu dem Mittelpunkt des Mikrokanals ausgerichtet sein (z. B. in der Breitenrichtung in der Figur) und können (sogar individuell) außermittig auf dem Boden des Kanals liegen.
Wie vorstehend erwähnt, sind die passiven Kühllöcher 132 relativ klein im Vergleich zu der Größe der Kühldurchlasslöcher 112 gemäß Darstellung in 9. In den meisten Ausführungsformen haben die passiven Kühllöcher einen durchschnittlichen Durchmesser, der kleiner als etwa 50% des durchschnittlichen Durchmessers der Kühlmitteldurchlasslöcher ist. Typischerweise haben die passiven Kühllöcher einen durchschnittlichen Durchmesser in dem Bereich von ca. 0,13 mm (5 mils) bis ca. 0,51 mm (20 mils) und in einigen Fällen von ca. 0,13 mm bis ca. 0,38 mm (5 mils bis 15 mils).
Nach der Ausbildung der passiven Kühllöcher 132 wird das Opfer/Füllmaterial aus den Mikrokanälen 110 und aus den Durchlasslöchern 112 entfernt. Eine Anzahl herkömmlicher Techniken kann zum Entfernen des Opfermaterials verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele umfassen Auslaugen, Lösen, Schmelzen, Oxidieren, Ätzen und Kombinationen davon. Die Wahl der speziellen Technik hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. von der speziellen Zusammensetzung des Opfermaterials, der Innenform der Kühlmitteldurchlässe und der Zusammensetzung des Substrates und der Beschichtung. Häufig wird die Entfernung des Füllmaterials durch Eintauchen der Komponente in ein geeignetes Behandlungsbad ausgeführt. Wie nachstehend beschrieben, kann das Vorhandensein der passiven Kühllöcher (siehe beispielsweise 9) vorteilhaft das Entfernen des Füllmaterials beschleunigen.
10 ist eine perspektivische Ansicht des allgemeinen Aufbaus von 9, die ein Substrat 102, eine Außenoberfläche 104, Mikrokanäle 110 und eine geordnete Anordnung von Durchlasslöchern (z. B. Kühlmittelzuführungslöchern) 112 darstellt. Die passiven Kühllöcher 132 sind ebenfalls sich durch die metallische Schicht 130 hindurch in unterschiedliche Abschnitte der Mikrokanäle 110 erstreckend dargestellt. Wie vorstehend erwähnt, müssen die passiven Löcher 132 nicht in einer geordneten Anordnung angeordnet sein, und müssen nicht entlang einer gleichmäßigen Achse entlang des Verlaufs irgendeines Mikrokanals 110 angeordnet sein.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform, in welcher wenigstens eine Reihe passiver Kühllöcher in 2 durch einen Schlitz 133 ersetzt ist. (Alle anderen Elemente in der Figur können als dieselben wie die für 10 betrachtet werden). Obwohl hier nur ein Schlitz (und mit einer beliebigen Breite) dargestellt ist, ist in einigen Ausführungsformen ein Schlitz anstelle jeder Reihe von passiven Kühllöchern vorhanden. Es kann erwünscht sein, diese Schlitze in einigen Fällen anstelle der Löcher auszubilden, um die sich möglicherweise ergebende Druckbelastung gleichmäßiger zu verteilen, die aus den über dem Schlitz aufgebrachten Schichten entsteht. Die Schichten können durch viele von den vorstehend beschriebenen Techniken, z. B. durch abrasiven Flüssigkeitsstrahl, EDM und dergleichen erzeugt werden. Ferner kann anstelle nur eines Schlitzes entlang einer speziellen Dimension auf der Oberfläche eine Reihe diskreter kleinerer Schlitze verwendet werden.
Die Größe der Schlitze ist etwas variabel, obwohl in vielen Fällen die Breite des Schlitzes (d. h. die Richtung horizontal zu der der Schlitzspanne) in etwa gleich dem Durchmesser der in der anderen Ausführungsform verwendeten passiven Löcher ist. Ferner kann man sich die Schlitze mit einer durchschnittlichen Breite vorstellen, die kleiner als ca. 50% des durchschnittlichen Durchmessers der (in dieser Figur nicht dargestellten) Kühlmittelzuführungslöcher ist. Ferner müssen die Schlitze nicht direkt über einer mittigen Längsachse der Mikrakanäle positioniert sein, sondern können außermittig liegen. Die Schlitze können auch geneigte Seitenwände enthalten. Die meisten dieser Varianten werden durch die für die Komponente gewünschte spezielle Kühlungsausgestaltung bestimmt.
Gemäß weiterer Bezugnahme auf die Erzeugung der zuletzt unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen passiven Kühllöcher wird dann eine zweite metallische Aufbaubeschichtungslage über der ersten Beschichtung 130 in dieser Ausführungsform gemäß Darstellung in 12 aufgebracht. Die zweite Beschichtung überdeckt den oberen Auslass 142 von jedem der passiven Kühllöcher 132 und macht diese wie nachstehend beschrieben ”passiv”. Wie in dem Falle der ersten Beschichtung ist die zweite Beschichtung für diese Ausführungsform ebenfalls im Wesentlichen nicht-porös und kann aus irgendeinem der vorstehend beschriebenen metallischen Materialien ausgebildet sein, wie z. B. aus Superlegierungen, Metallaluminiden, MCrAl(X)-Materialien und dergleichen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel könnte die zweite Beschichtung aus einem MCrAl(X)-Material ausgebildet sein, wenn die erste Beschichtung aus einem Superlegierungsmaterial ausgebildet ist. Die Beschichtung kann auch durch irgendeine der vorstehend beschriebenen Techniken aufgebracht werden.
Die Dicke der zweiten metallischen Aufbaubeschichtung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. einigen von den vorstehend für die erste Lage aufgelisteten. Die zweite Lage sollte ausreichend dick sein, um die passiven Kühllöcher 132 zu ”überbrücken”, und um adäquat ein anschließend aufgebrachtes keramisches Material zu unterstützen. Üblicherweise ist die zweite Beschichtung wenigstens ca. 0,1 mm dick. In den meisten Fällen liegt die Dicke in dem Bereich zwischen ca. 0,1 mm bis ca. 0,5 mm. (In einigen Ausführungsformen kann wenigstens eine metallische Beschichtung mehr (z. B. eine dritte Lage) aufgebracht werden.)
In einigen Ausführungsformen kann eine Komponente wie hierin beschrieben angemessen mit zwei oder mehr metallischen Beschichtungen geschützt werden, die gewählte Außenoberflächen überdecken. Jedoch kann in vielen Ausführungsformen die Hochtemperaturkomponente auch wenigstens eine darüberliegende keramische Beschichtung wie vorstehend erwähnt enthalten. In diesen Fällen hat die darunterliegende metallische Beschichtung teilweise oft die Funktion einer Haftschicht wie auch vorstehend schon erwähnt.
Somit ist in vielen Ausführungsformen wenigstens eine keramische Beschichtung über der zweiten Metallaufbaulage (oder über der Oberseite der oberen metallischen Lage, wenn mehr als zwei Lagen auf dem Substrat angeordnet sind) aufgebracht. Wie vorstehend erwähnt, liegt die keramische Beschichtung üblicherweise in der Form einer Wärmedämmschicht (TBC) vor und kann eine Vielfalt von keramischen Oxiden wie z. B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Kombinationen davon aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die TBC Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) auf. Eine derartige Zusammensetzung erzeugt eine starke Bindung mit der darunterliegenden metallischen Schicht und stellt einen relativ hohen Grad an Wärmeschutz für das Substrat bereit. (Das U. S. Patent 6,511,762 gibt eine Beschreibung von einigen Aspekten von TBC-Beschichtungssystemen).
Die TBC kann mittels einer Anzahl von Techniken aufgebracht werden. Die Wahl einer speziellen Technik hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Beschichtungszusammensetzung, ihrer gewünschten Dichte, der Zusammensetzung der darunterliegenden metallischen Lage(n), dem Bereich, auf welchen die Beschichtung aufgebracht wird und der Form der Komponente. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Beschichtungstechniken umfassen PVD- und Plasmaspritztechniken. In einigen Fällen ist es erwünscht, dass die TBC einen gewissen Grad an Porosität hat. Beispielsweise kann eine poröse YSZ-Struktur unter Anwendung von PVD- oder Plasmaspritztechniken erzeugt werden.
Die Dicke der TBC hängt zum Teil von den vorstehend ausgeführten Faktoren bezüglich der metallischen Beschichtungen ab. Die Wärmeumgebung, in welcher die Komponente arbeitet, ist ein Schlüsselfaktor, wie auch die Endnutzung des Teils und die Anzahl der aufgebrachten TBC-Lagen. Üblicherweise, jedoch nicht immer, haben für stationäre Turbinen verwendete TBC's eine Gesamtdicke in dem Bereich zwischen ca. 0,08 mm bis ca. 1,14 mm (3 mils bis 45 mils). Üblicherweise (jedoch nicht immer) haben für Luftfahrtanwendungen (z. B. Strahltriebwerke verwendende TBC's) eine Gesamtdicke in dem Bereich zwischen ca. 0,03 mm bis ca. 0,51 mm (1 mil bis ca. 20 mils).
In weiteren Ausführungsformen kann die TBC direkt über der ersten metallischen Aufbaulage, d. h., über der Lage 130 in 9 aufgebracht werden. Beispielsweise kann die TBC manchmal eine ausreichende Beschichtungsfestigkeit zur Anbringung über nur einer metallischen Lage bereitstellen, wenn die passiven Kühllöcher eine ziemlich kleine Größe haben, z. B. weniger als ca. 0,1 mm im Durchmesser (4 mils). Wie in den anderen Ausführungsformen können mehrere TBC-Lagen aufgebracht werden, wie es z. B. in dem vorgenannten U. S. Patent 6,511,762 von Lee et al. angegeben ist.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnittes einer weiteren Hochtemperaturkomponente, z. B. eines Turbinenschaufelblattes 140, gemäß einigen der hierin dargestellten Ausführungsformen. In dieser Figur ist ein Mikrokanal 142 veranschaulicht, der in dem Substrat 144 ausgebildet ist. Ein Kühlmitteldurchlassloch 146 ist in Verbindung mit dem Kanal 142 dargestellt (d. h., mit der Öffnung in der Kanalbodenoberfläche 148), und das eine Leitung zu einem Innenbereich 150 des Schaufelblattes bereitstellt.
Eine aus einem metallischen Material erzeugte erste Aufbaubeschichtungslage 152 ist über einer Außenoberfläche 154 des Substrates 144 angeordnet dargestellt. Eine Reihe passiver Kühllöcher 156 sind dargestellt, die sich durch die Aufbauschicht 152 hindurch erstrecken. In dieser Ausführungsform ist die Aufbaulage 152 von einer zweiten metallischen Aufbaulage 158 überdeckt. Eine Keramik-basierende Wärmedämmschicht 160 ist über der Lage 158 angeordnet. (Die Beschichtungen 152, 158 und 160 können gemeinsam als ein ”Schutzbeschichtungssystem” 162 bezeichnet werden). (Wie vorstehend angemerkt, könnte in alternativen Ausführungsformen die Lage 150 in einigen Fällen eine keramische TBC mit oder ohne einer zweiten TBC 160 sein).
Das Durchlassloch 164 öffnet sich in einen Austrittsbereich oder ”Graben” 166, welcher einen Austrittsbereich für den Mikrokanal 142 definiert. Eine Anzahl von Gräben kann durch das Beschichtungssystem 162 hindurch abhängig von dem Kühldurchflussschema für das Schaufelblatt ausgebildet sein. Die Gräben können durch irgendeine der vorstehend beschriebenen Techniken erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit einem Turbinenschaufelblatt, das als eine Hochtemperaturkomponente dient, stellen die vorstehend beschriebenen passiven Kühlungslöcher wenigstens einige wichtige Attribute für Kühlsysteme dar, welche auf Mikrokanälen und Wärmedämmschichtsystemen beruhen. Erstens stellen sie zusätzliche Auslässe für die Entfernung von Füllmaterialien (z. B. durch die vorstehend erwähnte Auslaugungstechnik) bereit, nachdem die Anfangsbeschichtung auf die Komponente aufgebracht ist. zweitens stellen sie zusätzliche Durchlässe/Wege für Kühlluft bereit, die sich zu dem Außenbereich der Komponente in dem Falle bewegt, dass die darüberliegende Schutzbeschichtung versagt, d. h., wenn ein Teil des Beschichtungssystems 162 (13) beschädigt oder von dem Substrat 144 abgetrennt wird. Mit anderen Worten, Kühlfluid, das aus einer Quelle in dem Innenbereich 150 der Komponente strömt, wird in die Durchlasslöcher 146 an der unteren Oberfläche 147 geleitet. Ein Teil des Kühlmittels kann (gemäß der Ausrichtung von 1) nach oben in den Mikrokanal 142 und in die passiven Kühllöcher 156 strömen. Dieser Luftstrom stellt eine zusätzliche nützliche Filmkühlung für Abschnitte des Schaufelblattes bereit, welchen der Schutz der beschädigten oder nicht mehr vorhandenen TBC fehlt. Auf diese Weise werden die kleinen Kühllöcher effektiv aus von der Beschichtung versiegelten ”passiven Löchern” in unbedeckte ”aktive Löcher” umgewandelt.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung sind die Opfer/Füllmaterialien nicht erforderlich, obwohl die passiven Kühllöcher immer noch in den Gesamtaufbau einbezogen sind. Somit werden in dieser Ausführungsform die Mikrokanäle in einer Außenoberfläche wie vorstehend beschrieben ausgebildet, gefolgt von der Ausbildung von einem oder mehreren Kühlmitteldurchlasslöchern. Die metallische Aufbaubeschichtung kann dann über die Außenoberfläche aufgebracht werden, wie es ebenfalls vorstehend beschrieben ist. Wenigstens ein Schlitz oder ein Satz von relativ kleinen passiven Kühllöchern wird dann durch die metallische Aufbaubeschichtung ausgebildet, die sich wenigstens in einen Abschnitt der Mikrokanäle hinein erstreckt, wie es ebenfalls vorstehend beschrieben ist. Eine zweite Beschichtungslage (oder mehrere Lagen) können dann über der ersten Lage ausgebildet werden. Die zweite Beschichtungslage kann eine keramische oder metallische sein, wie es ebenfalls hierin beschrieben ist, oder sie kann eine metallische Lage sein, der eine oder mehrere keramische Lagen folgen.
Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte ersichtlich sein, dass eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung auf eine Hochtemperaturkomponente gerichtet ist, die eine äußere Metallwand mit mehreren darin enthaltenen Mikrokanälen aufweist, wobei sich eine Reihe von Durchlasslöchern (z. B. Kühlmittelzuführungslöchern) jeweils von einer unteren Oberfläche von einem der Mikrokanäle in einen Innenbereich der Komponente erstrecken. Die Außenwand ist von wenigstens einer metallischen Beschichtung und in einigen Fällen von wenigstens einer darüberliegenden Wärmedämmschicht (TBC) überdeckt. In dieser Ausführungsform erstrecken sich einer oder mehrere Schlitze oder eine Vielzahl relativ kleiner passiver Kühllöcher durch eine erste Lage der metallischen Beschichtung in wenigstens einen Abschnitt von einem oder mehreren der Mikrokanäle. Der bzw. die Schlitze oder die passiven Kühllöcher sind an dem oberen Ende (d. h. unmittelbar an der Außenseite der Außenwand) durch wenigstens eine zweite Beschichtungslage, z. B. wenigstens eine metallische Lage oder wenigstens eine TBC-Lage oder eine bestimmte Kombination davon, verschlossen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Form spezifischer Ausführungsformen beschrieben. Sie sind nur zur Veranschaulichung gedacht und sollten in keiner Weise als Einschränkung betrachtet werden. Somit dürfte es sich verstehen, dass Modifikationen daran vorgenommen werden können, die in dem Schutzumfang der Erfindung und beigefügten Ansprüchen liegen. Ferner sind alle von den Patenten, Patentanmeldungen, Artikeln und Texten, die vorstehende erwähnt wurden, hierin durch Verweis darauf beinhaltet.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente beschrieben. Wenigstens ein Mikrokanal wird in einer Außenoberfläche der Komponente erzeugt, und ein oder mehrere Kühlmitteldurchlasslöcher werden dann erzeugt, die sich von wenigstens einem der Mikrokanäle zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken. Eine Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung wird dann über der Außenoberfläche aufgebracht. Wenigstens ein Schlitz oder ein Satz von relativ kleinen passiven Kühllöchern werden dann durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung hindurch erzeugt, die sich in wenigstens einen Abschnitt der Mikrokanäle erstrecken. Eine zweite Beschichtungslage wird dann über der ersten Lage aufgebracht. In einigen Ausführungsformen wird ein Opfermaterial in den Mikrokanälen abgeschieden, bevor die erste Beschichtungslage aufgebracht wird. Zugehörige Artikel werden ebenfalls beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5626462 [0033, 0048]
US 6511762 [0048, 0061, 0064]
US 2008/0138529 [0049]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente mit den folgenden Schritten: a) Erzeugen wenigstens eines Mikrokanals in einer Außenoberfläche der Komponente; b) Erzeugen eines oder mehrerer Kühlmitteldurchlasslöcher, die sich von wenigstens einem der Mikrokanäle zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken; c) Füllen der Mikrokanäle und der Kühlmitteldurchlasslöcher mit einem Füllmaterial; d) Aufbringen einer ersten Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung über der Außenoberfläche; e) Erzeugen wenigstens eines Schlitzes oder eines Satzes von relativ kleinen passiven Kühllöchern durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung hindurch, wobei sich der Schlitz oder die passiven Kühllöcher in wenigstens einen Abschnitt von einem der gefüllten Mikrokanäle erstrecken, welche im Wesentlichen unter dem Schlitz oder unter den passiven Kühllöchern ausgebildet sind; f) Entfernen des Füllmaterials; und g) Aufbringen wenigstens einer zweiten Beschichtungslage über der ersten Lage.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Mikrokanal in der Außenoberfläche mittels einer Technik erzeugt wird, die aus der aus Laserbearbeitung, abrasives Flüssigkeitsstrahlschneiden, Funkenerosionsbearbeitung (EDM), Fräs-Funkenerosionsbearbeitung (Fräs-EDM), Elektronenstrahlbohren, CNC-Bearbeitung bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Kühlmitteldurchlassloch beispielsweise mittels einer Technik erzeugt wird, die aus der aus elektrochemischer Tauchbearbeitung (Tauch-ECM), Laserbearbeitung, Laserbohren, abrasives Flüssigkeitsstrahlschneiden, Funkenerosionsbearbeitung (EDM) und Elektronenstrahlbohren bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial aus der aus keramischen Materialien, Metallen, Metalllegierungen, Metalltinten, härtbaren polymerischen Materialien, Graphit und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kühlmitteldurchlasslöcher einen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 0,25 mm bis ca. 0,76 mm (10 mils bis 30 mils) haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Durchmesser der passiven Kühllöcher kleiner als ca. 50% des durchschnittlichen Durchmessers der Kühlmitteldurchlasslöcher ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die passiven Kühleinen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 0,13 mm bis ca. 0,51 mm (5 mils bis 20 mils) haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schlitz eine durchschnittliche Breite kleiner als ca. 50% des durchschnittlichen Durchmessers der Kühlmitteldurchlasslöcher hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung aus einem Superlegierungsmaterial, einem Metallaluminid oder einem Material mit der Formel MCrAl(X) aufgebaut ist, wobei M Eisen, Kobalt, Nickel oder eine Kombination davon ist, und X Yttrium, Tantal, Silizium, Hafnium, Titan, Zirkon, Bor, Kohlenstoff oder eine Kombination davon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke der metallischen Aufbaulage in dem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1,0 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Beschichtungslage eine metallische Aufbaubeschichtung ist, die ein Superlegierungsmaterial, ein Metallaluminid oder ein Material mit der Formel MCrAl(X) aufweist, wobei M Eisen, Kobalt, Nickel oder eine Kombination davon ist, und X Yttrium, Tantal, Silizium, Hafnium, Titan, Zirkon, Bor, Kohlenstoff oder eine Kombination davon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Beschichtungslage ein keramisches Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das keramische Material aus der aus Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren zum Bereitstellen eines Fluidkühlsystems in einer Hochtemperaturkomponente, mit den nachstehenden Schritten: A) Erzeugen wenigstens eines Mikrokanals in einer Außenoberfläche der Komponente; B) Erzeugen eines oder mehrerer Kühlmitteldurchlasslöcher, die sich von wenigstens einem von den Mikrokanälen zu einem Innenbereich der Komponente erstrecken; C) Aufbringen einer ersten Lage einer metallischen Aufbaubeschichtung über der Außenoberfläche; D) Erzeugen wenigstens eines Schlitzes oder eines Satzes von relativ kleinen passiven Kühllöchern durch die erste Lage der metallischen Aufbaubeschichtung hindurch, wobei sich der Schlitz oder die passiven Kühllöcher in wenigstens einen Abschnitt von einem der gefüllten Mikrokanäle erstrecken, welche im Wesentlichen unter dem Schlitz oder unter den passiven Kühllöchern ausgebildet sind; und E) Aufbringen wenigstens einer zweiten Beschichtungslage über der ersten Lage.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Beschichtungslage aus der aus metallischen Aufbaumaterialien und keramischen Materialien bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Beschichtungslage ein metallisches Aufbaumaterial ist und wenigstens eine keramische Beschichtungslage dann über der zweiten Beschichtungslage aufgebracht wird.
Hochtemperaturkomponente, die eine Außenwand mit mehreren darin enthaltenen Mikrokanälen enthält, wobei sich mehrere Kühlmitteldurchlasslöcher von einer unteren Oberfläche von einem oder mehreren der Mikrokanäle in einen Innenbereich der Komponente erstrecken; wobei die Außenwand von wenigstens einer metallischen Beschichtung abgedeckt ist; und wobei sich wenigstens ein Schlitz oder mehrere passive Kühllöcher durch eine erste Lage der metallischen Beschichtung hindurch in wenigstens einen Abschnitt von einem oder mehreren der darunterliegenden Mikrokanäle erstrecken und der Schlitz oder die passiven Kühllöcher an einem Außenende durch wenigstens eine zweite Beschichtungslage verschlossen sind.
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 17, wobei die zweite Beschichtungslage aus der aus metallischen Aufbaumaterialien und keramischen Materialien bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 18, wobei das metallische Aufbaumaterial ein Superlegierungsmaterial, ein Metallaluminid oder ein Material mit der Formel MCrAl(X) aufweist, wobei M Eisen, Kobalt, Nickel oder eine Kombination davon ist, und X Yttrium, Tantal, Silizium, Hafnium, Titan, Zirkon, Bor, Kohlenstoff oder eine Kombination davon ist; und wobei das keramische Material aus der aus Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃) Magnesiumoxid (MgO) und Kombinationen davon bestehenden der Gruppe ausgewählt ist.
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 17, wobei die zweite Beschichtungslage ein metallisches Aufbaumaterial aufweist und durch wenigstens eine Beschichtungslage abgedeckt ist.
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 17, wobei der Schlitz oder die passiven Kühllöcher einen durchschnittlichen Durchmesser haben, der kleiner als ca. 50% des durchschnittlichen Durchmessers der Kühlmitteldurchlasslöcher ist.
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 17 in der Form einer Turbinentriebwerkskomponente
Hochtemperaturkomponente nach Anspruch 22 in der Form eines Schaufelblattes.