DE102013111874A1

DE102013111874A1 - Bauteil mit hinterschnitten geformten Kühlkanälen und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102013111874A1
Application number: DE201310111874
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Dennis Michael Gray
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-05-08
Also published as: JP6209058B2; JP2014098385A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bereitgestellt. Das Bauteil beinhaltet ein Substrat, das wenigstens einen Innenhohlraum besitzt. Das Verfahren beinhaltet die Ausbildung einer oder mehrerer Nuten in dem Bauteil. Jede Nut erstreckt sich wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates und verengt sich an einer Öffnung davon dergestalt, dass jede Nut hinterschnitten geformt ist. Die Querschnittsfläche A jeder Nut liegt in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist. Bauteile mit in dem Substrat ausgebildeten Nuten und Bauteile mit wenigstens teilweise in einer strukturellen Beschichtung ausgebildeten Nuten werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/943,624, Ronald Scott Bunker et al., mit dem Titel "Bauteile mit hinterschnitten geformten Kühlkanälen und Herstellungsverfahren dazu", welche hierin durch Verweis darauf in ihrer Gesamtheit enthalten ist.
HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere eine Mikrokanalkühlung in diesen.
In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und mit Brennstoff in einem Brenner zum Erzeugen heißer Verbrennungsgase gemischt. Den Gasen wird in einer Hochdruckturbine (HPT), welche den Verdichter antreibt, und in einer Niederdruckturbine (LPT), welche einen Fan in einer Turbofan-Flugzeugmotorwendung antreibt oder eine externe Welle für Schiffs- und Industrieanwendungen antreibt, Energie entzogen.
Der Triebwerkswirkungsgrad nimmt mit der Temperatur von Verbrennungsgase zu. Die Verbrennungsgase erhitzen jedoch die verschiedenen Bauteile entlang ihres Strömungspfades, was wiederum deren Kühlung erfordert, um eine annehmbar lange Triebwerkslebensdauer zu erzielen. Typischerweise werden die Heißgaspfadbauteile durch Zapfluft aus dem Verdichter gekühlt. Dieser Kühlprozess reduziert den Triebwerkswirkungsgrad, da die Zapfluft nicht in dem Verbrennungsprozess genutzt wird.
Die Kühltechnik von Gasturbinentriebwerken ist ausgereift und umfasst zahlreiche Patente für die verschiedenen Aspekte von Kühlkreisläufen und Einrichtungen in den verschiedenen Heißgaspfadbauteilen. Beispielsweise enthält der Brenner radial innere und äußere Einsätze, welche eine Kühlung während des Betriebs erfordern. Turbinenleitapparate enthalten zwischen äußeren und inneren Bändern gelagerte hohle Leitschaufeln, welche ebenfalls eine Kühlung erfordern. Turbinenrotorlaufschaufeln sind hohl und erfordern typischerweise Kühlkreisläufe darin, wobei die Laufschaufeln von Turbinendeckbändern umgeben sind, welche ebenfalls eine Kühlung erfordern. Die heißen Verbrennungsgase werden durch einen Auslass ausgegeben, welcher ebenfalls ausgekleidet und geeignet gekühlt sein kann.
In allen diesen exemplarischen Gasturbinentriebwerksbauteilen werden typischerweise dünne Wände aus hochfesten Superlegierungsmetallen verwendet, um das Gewicht des Bauteils zu reduzieren und dessen Kühlungsbedarf zu minimieren. Verschiedene Kühlkreisläufe und Einrichtungen sind speziell an diese individuellen Bauteile in ihren entsprechenden Umgebungen in dem Triebwerk angepasst. Beispielsweise kann eine Reihe von internen Kühldurchlässen oder Serpentinen in einem Heißgaspfadbauteil ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann an die Serpentinen von einem Sammelraum aus zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch die Durchlässe strömen, um dabei das Heißgaspfadbauteilsubstrat und alle zugeordneten Beschichtungen kühlen. Diese Kühlungsstrategie führt jedoch typischerweise zu relativ niedrigen Wärmeübertragungsraten und ungleichmäßigen Bauteiltemperaturprofilen.
Mikrokanalkühlung hat das Potential, den Kühlbedarf signifikant zu reduzieren, indem die Kühlung so nahe wie möglich an dem erhitzten Bereich platziert wird und somit die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite und der kalten Seite des die Hauptlast tragenden Substratmaterials für eine vorgegebene Wärmeübertragungsrate zu reduzieren. Jedoch erfordern die derzeitigen Techniken zur Erzeugung von Mikrokanälen typischerweise die Verwendung eines Opferfüllmaterials, um eine Abscheidung der Beschichtung in den Mikrokanälen zu verhindern, um die Beschichtung während der Abscheidung zu unterstützen, sowie die Entfernung des Opferfüllmaterials nach der Abscheidung des Beschichtungssystems. Jedoch stellt sowohl die Füllung der Kanäle mit einem flüchtigen Material als auch die spätere Entfernung dieses Materials mögliche Probleme für derzeitige Mikrokanalverarbeitungstechniken dar. Beispielsweise muss das Füllmaterial mit dem Substrat und den Beschichtungen kompatibel sein, noch eine minimale Schrumpfung besitzen, aber ausreichende Festigkeit haben. Die Entfernung des Opferfüllmaterials beinhaltet möglicherweise beschädigende Prozesse einer Auslaugung, Ätzung oder Verdampfung und erfordert typischerweise lange Zeit. Restliches Füllermaterial stellt ebenfalls ein Problem dar.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Erzeugen eines Kühlkanals in Heißgasbauteilen bereitzustellen, das des Weiteren die Notwendigkeit des Füllungs- und Entfernungsprozesses erübrigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils. Das Bauteil beinhaltet ein Substrat, das wenigstens einen Innenhohlraum besitzt. Das Verfahren beinhaltet auch die Ausbildung einer oder mehrerer Nuten in dem Bauteil, wobei sich jede Nut wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates erstreckt und sich an einer Öffnung davon dergestalt verengt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist. Die Querschnittsfläche A jeder Nut liegt in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist.
Jede Nut kann um die Mittellinie herum symmetrisch sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Basis der entsprechenden Nut gerundet sein.
Des Weiteren kann jede Nut alternativ einen asymmetrischen Querschnitt haben.
Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner den Schritt der Ausbildung eines oder mehrerer Zugangslöcher in dem Substrat beinhalten, wobei jedes Zugangsloch eine von den Nuten mit dem entsprechenden Innenhohlraum in Fluidverbindung verbinden kann.
Die Nuten jeder geeigneten Form und Typs können in der Außenoberfläche des Substrates ausgebildet sein.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner den Schritt der Anordnung einer Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des Substrates aufweisen, wobei die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils definieren können.
In dem vorstehend erwähnten Verfahren kann ein Füllverhältnis für die in jeder Nut abgeschiedenen Beschichtung kleiner als zwanzig Prozent sein.
Das Füllverhältnis für die in jeder Nut abgeschiedenen Beschichtung kleiner als zehn Prozent sein.
Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Beschichtung abgeschieden wird, indem ein thermisches Spritzverfahren durchgeführt wird.
Das Verfahren jedes vorstehend erwähnten Typs kann beinhalten, dass die Beschichtung eine strukturelle Beschichtung und eine Zusatzbeschichtung aufweist, und wobei jede Nut wenigstens teilweise in der strukturellen Beschichtung ausgebildet sein kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Bauteil, das ein Substrat mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche enthält, wobei die Innenoberfläche wenigstens einen Innenhohlraum definiert und die Außenoberfläche eine oder mehrere Nuten definiert. Jede Nut erstreckt sich wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates und verengt an einer Öffnung davon dergestalt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist. Die Querschnittsfläche A jeder Nut liegt in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist. Das Bauteil enthält ferner wenigstens eine über einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Beschichtung, wobei die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils definieren.
Jede Nut des vorstehend erwähnten Bauteils kann um die Mittellinie symmetrisch sein.
Die Basis einer entsprechenden Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils kann gerundet sein.
Jede Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils kann einen asymmetrischen Querschnitt haben.
Ein oder mehrere Zugangslöcher jedes vorstehend erwähnten Bauteils können in dem Substrat ausgebildet sein, und wobei jedes Zugangsloch die entsprechende Nut mit dem entsprechenden Innenhohlraum in Fluidverbindung verbinden kann.
Das Füllverhältnis für die in jeder Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils abgeschiedene Beschichtung kann kleiner als zwanzig Prozent sein.
Das Füllverhältnis für die in jeder Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils abgeschiedene Beschichtung kann kleiner als zehn Prozent sein.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung beruht in einem Bauteil, das ein Substrat mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche enthält, wobei die Innenoberfläche wenigstens einen Innenhohlraum definiert. Das Bauteil enthält ferner wenigstens eine über einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Beschichtung, wobei die Beschichtung wenigstens eine innere Lage einer auf der Außenoberfläche des Substrates abgeschiedenen strukturellen Beschichtung und eine Zusatzbeschichtung aufweist. Eine oder mehrere Nuten sind wenigstens teilweise in der strukturellen Beschichtung ausgebildet, wobei sich jede Nut wenigstens teilweise entlang der Oberfläche des Substrates erstreckt und sich an einer Öffnung davon dergestalt verengt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist. Die Querschnittsfläche A jeder Nut liegt in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist. Die Nut(en) und die Beschichtung definieren zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils.
Jede Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils kann um die Mittellinie symmetrisch sein.
Die Basis einer entsprechenden Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils kann gerundet sein.
Jede Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils kann einen asymmetrischen Querschnitt haben.
Ein oder mehrere Zugangslöcher jedes vorstehend erwähnten Bauteils können in dem Substrat ausgebildet sein, und wobei jedes Zugangsloch die entsprechende Nut mit dem entsprechenden Innenhohlraum in Fluidverbindung verbinden kann.
Das Füllverhältnis für die in jeder Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils abgeschiedene Beschichtung kann kleiner als zwanzig Prozent sein.
Das Füllverhältnis für die in jeder Nut jedes vorstehend erwähnten Bauteils abgeschiedene Beschichtung kann kleiner als zehn Prozent sein.
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 Veranschaulichung eines Gasturbinensystems ist;
2 ein schematischer Querschnitt einer Beispielschaufelblattausgestaltung mit hinterschnitten geformten Kühlkanälen gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist;
3 einen ersten Durchlauf eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls in einem Winkel φ zum Erzeugen einer hinterschnittenen Nut veranschaulicht;
4 einen zweiten Durchlauf des abrasiven Flüssigkeitsstrahls in einem entgegengesetzten Winkel 180-φ zum Erzeugen der hinterschnittenen Nut darstellt;
5 einen optionalen dritten Durchlauf des abrasiven Flüssigkeitsstrahls rechwinklig zu der Nut zum Erzeugen der hinterschnittenen Nut darstellt;
6 ein schematischer Querschnitt eines Teils des Kühlkreislaufs mit hinterschnittenen Kühlkanälen ist;
7 schematisch eine exemplarische hinterschnitten geformten Nut im Querschnitt darstellt;
8 in perspektivischer Ansicht drei Beispielmikrokanäle darstellt, die sich teilweise entlang der Oberfläche des Kanals erstrecken und den entsprechenden Filmkühlungslöchern Kühlmittel zuführen;
9 eine Querschnittsansicht von einem der Beispielmikrokanäle von 8 ist und den Mikrokanal während der Förderung des Kühlmittels von einem Zugangsloch zu einem Filmkühlungsloch darstellt;
10 schematisch fünf Kühlkanäle A–E mit variierenden Querschnittsflächen von A = R bis A = 2,33 R in Querschnittsansicht darstellt;
11 schematisch einen exemplarischen tropfenförmig geformten Kühlkanal gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in Querschnittsansicht darstellt;
12 den Beschichtungsanteil (in Bezug zu der Gesamtquerschnittsfläche der entsprechenden Kühlkanäle) darstellt, der in den fünf Kühlkanälen A–E von 10 abgeschieden wird;
13 schematisch einen exemplarischen Kühlkanal mit einem asymmetrischen Querschnitt in Querschnittsansicht darstellt;
14 Kühlkanäle mit in einer Strukturbeschichtung ausgebildeten durchlässigen Schlitzen darstellt; und
15 den Beschichtungsanteil (in Bezug zu der Gesamtquerschnittsfläche der entsprechenden Kühlkanäle) darstellt, der in vier abgerundeten Kühlkanälen G–J abgeschieden wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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 den angesprochenen Elementen. 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 beinhaltet der Begriff "Kombination" Verschnitte, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen.
Ferner soll in dieser Patentschrift das Suffix "er" sollen, 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 beihalten, 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. Ebenso bedeutet ein Verweis auf "eine spezielle Ausgestaltung", dass ein in Verbindung mit der Ausgestaltung beschriebenes spezielles Element (z.B. Merkmal, Struktur und /oder Kennzeichen) in wenigstens einer hierin beschriebenen Ausgestaltung enthalten ist, und in andern Ausgestaltungen vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich dürfte es sich verstehen, dass die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Ausführungsformen und Ausgestaltungen kombiniert sein können.
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems 10. Das System 10 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 mehrere Wellen 18 gekoppelt sein.
Das Gasturbinensystem 10 kann eine Anzahl von Heißgaspfadbauteilen 100 enthalten. Ein Heißgaspfadbauteil ist jedes Bauteil des Systems 10, das wenigstens teilweise einem Strom von Hochtemperaturgas durch das System 10 ausgesetzt ist. Beispielsweise sind Schaufelbaugruppen (auch als Laufschaufeln oder Laufschaufelbaugruppen bekannt), Leitapparatbaugruppen (auch als Leitschaufeln oder Leitschaufelbaugruppen bekannt), Bandbaugruppen, Übergangsteile, Halteringe und Turbinenabgasbauteile alle Heißgaspfadbauteile. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass das Heißgaspfadbauteil 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehenden Beispiele beschränkt ist, sondern jedes beliebige Bauteil sein kann, das wenigstens teilweise einem Strom von Hochtemperaturgas ausgesetzt ist. Ferner dürfte es sich verstehen, dass das Heißgaspfadbauteil 100 der vorliegenden Beschreibung nicht auf Bauteile in Gasturbinensystemen 10 beschränkt ist, sondern jedes Teil einer Maschine oder eines Bauteils davon sein kann, das hohen Temperaturströmen ausgesetzt sein kann.
Wenn ein Heißgaspfadbauteil 100 einem heißen Gasstrom ausgesetzt wird, wird das Heißgaspfadbauteil 100 durch den Heißgasstrom erhitzt und kann eine Temperatur erreichen, bei welcher das Heißgaspfadbauteil 100 erheblich verschlechtert wird oder ausfällt. Somit ist, um dem System 10 ein Arbeiten mit einem Gasstrom bei einer hohen Temperatur zu ermöglichen, wie sie erforderlich ist, um den gewünschten Wirkungsgrad, Leistung und/oder Lebensdauer des Systems 10 zu erzielen, ein Kühlsystem für das Heißgaspfadbauteil 100 erforderlich.
Im Wesentlichen beinhaltet das Kühlsystem der vorliegenden Offenlegung eine Reihe von kleinen Kanälen oder Mikrokanälen, die in der Oberfläche des Heißgaspfadbauteils ausgebildet sind. Für Bauteile einer für den Industriebedarf dimensionierten Stromerzeugungsturbine umfassen "kleine" oder "Mikro"-Kanalabmessungen, angenäherte Tiefen- und Breiten in dem Bereich von 0,25 mm bis 1,5 mm, während für die Luftfahrt dimensionierte Bauteile die Kanalabmessungen angenäherte Tiefen und Breiten in dem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm umfassen. Das Heißgaspfadbauteil kann mit einer Schutzbeschichtung versehen sein. Ein Kühlfluid kann den Kanälen aus einem Sammelraum zugeführt werden und das Kühlfluid kann durch die Kanäle unter Kühlung des Heißgaspfadbauteils strömen.
Ein Herstellungsverfahren wird unter Bezugnahme auf die 2–15 beschrieben. Wie z.B. in 2 dargestellt, dient das Verfahren zum Herstellen eines Bauteils 100, das ein Substrat 110 mit wenigstens einem Innenhohlraum 114 enthält. Das Substrat 110 wird typischerweise vor dem Ausbilden der Nut(en) 132 gegossen. Wie in dem U.S. Patent Nr. 5,626,462 , Melvin R. Jackson und andere, "Doppelwandige Schaufel“, welches hierin durch Verweis darauf in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, kann das Substrat 110 aus jedem geeigneten Material geformt sein. Abhängig von der gewünschten Anwendung für das Bauteil 100 könnte dieses Ni-Basis-, Co-Basis- und Fe-Basis-Superlegierungen beinhalten. Die Ni-Basis-Superlegierungen können diejenigen sein, die sowohl γ- als auch γ´-Phasen enthalten, insbesondere Ni-Basis-Superlegierungen, die γ- als auch γ´-Phasen enthalten, wobei die γ´-Phase wenigstens 40 Volumenprozent der Superlegierung belegt. Derartige Legierungen sind aufgrund einer Kombination erwünschter Eigenschaften einschließlich hoher Temperaturfestigkeit und hoher Temperaturkriechbeständigkeit als vorteilhaft bekannt. Das Substratmaterial kann auch eine intermetallische NiAl-Legierung aufweisen, da diese Legierungen ebenfalls dafür bekannt sind, eine Kombination von überlegenen Eigenschaften einschließlich hoher Temperaturfestigkeit und hoher Temperaturkriechbeständigkeit zu haben, die zur Verwendung in in einem Flugzeug eingesetzten Turbinentriebwerksanwendungen vorteilhaft sind. Im Falle von Nb-Basis-Legierungen werden beschichtete Nb-Basis-Legierungen mit überlegener Oxidationsbeständigkeit bevorzugt, insbesondere diejenigen Legierungen, die Nb-(27-40)Ti-(4,5-10,5)Al-(4,5-7,9)Cr-(1,5-5,5)Hf-(0-6)V enthalten, wobei die Zusammensetzungsbereiche in Atomprozent vorliegen. Das Substratmaterial kann auch eine Nb-Basislegierung aufweisen, die wenigstens eine sekundäre Phase enthält, wie z.B. eine Nb enthaltende intermetallische Verbindung, die ein Silizid, Karbid oder Borid aufweist. Derartige Legierungen sind Verbundwerkstoffe mit einer duktilen Phase (d.h., der Nb-Basislegierung) und einer Verstärkungsphase (d.h., einer Nb enthaltenden intermetallischen Verbindung). Für weitere Anordnungen weist das Basismaterial eine Molybdän-basierende Legierung auf, wie z.B. auf Molybdän (Festlösung) basierende Legierungen mit Mo₅SiB₂- und/oder Mo₃Si-Sekundärphasen. Für weitere Ausgestaltungen weist das Substratmaterial einen Keramikmatrixverbundwerkstoff (CMC) auf, wie z.B. eine mit SiC-Fasern verstärkte Siliziumkarbid-(SiC)-Matrix. Für weitere Ausgestaltungen weist das Substratmaterial eine TiAl-basierende intermetallische Verbindung auf.
Gemäß den 3, 4 und 6–8 beinhaltet das Herstellungsverfahren die Ausbildung einer oder mehrerer Nuten 132 in dem Bauteil 100. Wie beispielsweise in 8 dargestellt, erstreckt sich jede Nut 132 wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche 112 des Substrates 110 und verengt sich an deren Öffnung 136 dergestalt, dass jede Nut 132 eine hinterschnitten geformte Nut 132 aufweist. Für die in 3 dargestellte Ausgestaltung führen die Nuten Kühlmittel zu entsprechenden Filmkühlungslöchern 172. Beispieltechniken zum Erzeugen der Nut(en) 132 beinhalten ohne Einschränkung einen abrasiven Flüssigkeitsstrahl, elektrochemische Tauchbearbeitung (ECM), Funkenerosionsbearbeitung (EDM) mit einer rotierenden Elektrode (Fräs-EDM) und Laserbearbeitung. Beispiel-Laserbearbeitungstechniken sind in der gemeinsam übereigneten U.S. Anmeldung Ser.-Nr. 12/697,005, "Verfahren und System zur Ausbildung geformter Luftlöcher", eingereicht am 29. Januar 2010, welche hierin durch Verweis darauf in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, beschrieben. Beispiel-EDM-Techniken sind in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/790,675, "Gegenstände, die Rautenkühllöcher enthalten und zugehörige Verfahren", eingereicht am 28. Mai 2010, welche hierin durch Verweis darauf in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist, beschrieben. Für spezielle Prozesse werden die Nut(en) 132 unter Ausbildung eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls ausgebildet, wie das nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die 3–5 diskutiert wird.
Gemäß den 7 und 10 liegt beispielsweise die Querschnittsfläche A jeder Nut in dem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen der Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung 136 der hinterschnitten geformten Nut 132 ist, und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut 132 ist. Mit anderen Worten, die Fläche R ist die Querschnittsfläche einer hypothetischen rechteckigen Nut mit derselben Breite an der Öffnung und derselben Tiefe wie die hinterschnitten geformte Nut. Beispielsweise haben die Kanäle A und B in 10 Flächen A von 2,33R bzw. 2R. Vorteilhafterweise können Kühlkanäle mit Querschnittsflächen A in dem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen der Fläche R = W·D eine vernachlässigbare Beschichtung haben, die in dem Kanal während des Beschichtungsprozesses ohne die Nutzung eines Opferfüllmaterials abgeschieden wird.
Für spezielle Ausgestaltungen ist jede Nut 132 um die Mittellinie symmetrisch. Wie hierin verwendet, sollte "symmetrisch" so verstanden werden, dass es kleinere Abweichungen in dem Profil der Nut umfasst, die sich aus der Bearbeitungsgenauigkeit ergeben. Beispielsweise sind die in den 6–8 und 10–12 dargestellten Nuten um die Mittellinie herum symmetrisch. Die Nuten können flache Basen 134 haben, wie es beispielsweise in den 6–8 und 10 dargestellt ist. Für andere Ausgestaltungen kann die Basis 134 der Nut 132 gerundet sein. Beispielsweise kann die Nut tropfenförmig sein, wie es beispielsweise in 11 dargestellt ist. Vorteilhafterweise haben Kanäle, die im Wesentlichen um die Mittellinie symmetrisch sind, relativ größere Querschnittsflächen in Bezug auf asymmetrische Kanäle wie diejenigen, die in 13 dargestellt sind (für dieselbe Tiefe und Öffnungsbreite).
Jedoch kann jede Nut 132 für andere Ausgestaltungen einen asymmetrischen Querschnitt haben, wie es beispielsweise in 13 dargestellt ist. Asymmetrische Nuten werden in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 13/664,458, welche in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist, diskutiert. Asymmetrische Querschnitte können in bestimmten schwierig zu bearbeitenden Bereichen des Bauteils oder zur Anpassung an andere Einrichtungen und/oder aufgrund von Auslegungszwängen innerhalb des Bauteils notwendig sein.
Wie vorstehend erwähnt, kann eine Anzahl von Techniken zur Erzeugung der Nuten 132 verwendet werden. Für den in den 3 und 4 dargestellten exemplarischen Prozess wird jede Nut 132 erzeugt, indem ein abrasiver Flüssigkeitsstrahl 160 auf die Außenoberfläche 112 des Substrates 110 gelenkt wird. Für den in den 3 und 4 dargestellten Prozess wird wenigstens eine Nut 132 ausgebildet, indem der abrasive Flüssigkeitsstrahl 160 in einem seitlichen Winkel in Bezug auf die Oberfläche 112 des Substrates 110 in einem oder mehreren Durchläufen des abrasiven Flüssigkeitsstrahls 160 gelenkt wird.
Beispiele abrasiver Flüssigkeitsstrahlen, Bohrprozesse und Systeme werden in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/790,675, " Gegenstände, die Rautenkühllöcher enthalten und zugehörige Verfahren", welche hierin durch Verweis darauf in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist, bereitgestellt. Wie in der U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/790,675 erläutert, nutzt der abrasive Flüssigkeitsstrahlprozess typischerweise einen Hochgeschwindigkeitsstrom von abrasiven Partikeln (z.B. abrasiven "Split"), der in einem Strom von Hochdruckwasser suspendiert ist. Der Druck der Flüssigkeit kann erheblich variieren, liegt aber oft in dem Bereich von ca. 35 bis 26 MPa. Eine Anzahl abrasiver Materialien kann verwendet werden, wie z.B. Granat, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Glaskügelchen. Vorteilhafterweise ermöglicht die Fähigkeit abrasiver Flüssigkeitsstrahlbearbeitungstechniken die Entfernung von Material in Stufen variierender Tiefen und mit der Steuerung über die Form der bearbeiteten Einrichtungen.
Zusätzlich und wie in der U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/790,675 erläutert, kann das Wasserstrahlsystem eine mehrachsige numerisch gesteuerte (CNC) Einheit 210 (4) enthalten. Die CNC-Systeme selbst sind im Fachgebiet bekannt und werden beispielsweise in der U.S. Patentveröffentlichung 1005/0013926 (S. Rutkowski et al.), welche hierin in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist, beschrieben. CNC-Systeme erlauben eine Bewegung des Schneidwerkzeugs entlang einer Anzahl von X-, Y- und Z-Achsen, sowie der Kippachsen.
Zusätzlich kann der Schritt der Ausbildung der Nut 132 ferner die Durchführung wenigstens eines zusätzlichen Durchlaufs beinhalten, in welchem der abrasive Flüssigkeitsstrahl 160 auf eine Basis 134 der Nut 132 bei einem oder mehreren Winkeln zwischen dem seitlichen Winkel und einer Richtung (52) im Wesentlichen rechtwinklig zu der Außenoberfläche 112 des Substrates 110 dergestalt gelenkt wird, dass Material von der Basis 134 der Nut 132 entfernt wird. (Siehe 5). Es sei angemerkt, dass so wie hierin verwendet, die "Basis" der untere Abschnitt der Nut ist und gekrümmt (11) oder jeden (10) sein kann.
Gemäß 8 und 9 kann das Herstellungsverfahren ferner die Ausbildung eines oder mehrerer Zugangslöcher 140 in dem Substrat 110 umfassen. Wie dargestellt verbindet beispielsweise in 14 jedes Zugangsloch 140 die entsprechende Nut 132 in Fluidverbindung mit dem entsprechenden Innenraum 114. Es sei angemerkt, dass die in 8 dargestellten Löcher 140 diskrete Löcher sind, die sich in dem dargestellten Querschnitt befinden und sich nicht durch das Substrat hindurch entlang der Länge der Nuten 132 erstrecken.
Die inneren Zugangslöcher 140, welche die entsprechenden Nuten versorgen, können entweder als ein gerades Loch mit konstantem Querschnitt, als ein geformtes Loch (elliptisch usw.) oder als ein (nicht dargestelltes) konvergierendes oder divergierendes Loch gebohrt sein. Verfahren zum Ausbilden der Zugangslöcher sind in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 13/210,697, Ronald S. Bunker et al., "Bauteile mit hinterschnitten geformten Kühlkanälen und Herstellungsverfahren dazu", welche hierin durch Verweis darauf in seiner Gesamtheit beinhaltet ist, bereitgestellt. Für spezielle Prozesse können das bzw. die Zugangslöcher 140 unter Verwendung eines abrasiven Flüssigkeitsstrahls ausgebildet werden, was vorstehend beschrieben ist. Wie vorstehend angemerkt, ermöglicht die Bearbeitung mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl vorteilhaft die Entfernung von Material in Stufen bis zu variierenden Tiefen und mit einer Steuerung über die Form der bearbeiteten Einrichtungen. Dieses ermöglicht die Bohrung der inneren Zugangslöcher 140, die den Kanal versorgen, in den vorstehend genannten Formen, d.h., als ein gerades Loch mit konstantem Querschnitt, ein geformtes Loch oder ein konvergierendes oder divergierendes Loch.
Für spezielle Ausgestaltungen werden die Nuten 132 in der Außenoberfläche 112 des Substrates 110 ausgebildet. Siehe beispielsweise die 8 und 9. Gemäß den 8, 9 und 12 kann das Herstellungsverfahren ferner die Anordnung einer Beschichtung 150 über wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche 112 des Substrates 110 beinhalten. Für diese Anordnungen definieren die Nut bzw. die Nuten 132 und die Beschichtung 150 zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle 130 zum Kühlen des Bauteils 100. Die Beschichtung 150 weist strukturelle Beschichtungslagen auf und kann ferner (eine) optionale Zusatzbeschichtungslage(n) enthalten. Die Beschichtungslage(n) kann unter Anwendung verschiedener Techniken abgeschieden werden. Für spezielle Prozesse kann die strukturelle Beschichtung abgeschieden werden, indem eine Ionenplasmaabscheidung (im Fachgebiet auch als Kathodenlichtbogenabscheidung bekannt) abgeschieden wird. Beispiele einer Ionenplasmaabscheidungsvorrichtung und eines Verfahrens werden in der gemeinsam übereigneten veröffentlichten U.S. Patentanmeldung Nr. 20080138529, Weaver et al. "verfahren und Vorrichtung zur Kathodenentladungs-Ionen-Plasmabeschichtung" bereitgestellt, welche hierin durch Verweis darauf in ihrer Gesamtheit beinhaltet ist. Zusammengefasst weist die Ionenplasmaabscheidung die Platzierung einer Verbrauchskathode mit einer Zusammensetzung zum Erzeugen des gewünschten Beschichtungsmaterials in einer Vakuumkammer, die Bereitstellung eines Substrates 110 in der Vakuumumgebung, die Zuführung eines Stroms zu der Kathode zum Erzeugen eines kathodischen Lichtbogens auf der Kathodenoberfläche, welcher zu einer lichtbogeninduzierten Erosion des Beschichtungsmaterials von der Kathodenoberfläche führt und die Abscheidung des Beschichtungsmaterials von der Kathode auf die Substratoberfläche 112 auf.
Nicht einschränkende Beispiele einer unter Anwendung von Ionenplasmaabscheidung abgeschiedenen strukturellen Beschichtung sind in dem U.S. Patent Nr. 5,626,462 , Jackson et al. "Doppelwandige Laufschaufel" beschrieben. Für bestimmte Heißgaspfadbauteile 100 weist die strukturelle Beschichtung 54 eine Nickel-basierende oder Kobalt-basierende Legierung auf und weist insbesondere eine Superlegierung oder eine (Ni, Co) CrAlY-Legierung auf. Wenn das Substratmaterial eine Ni-Basissuperlegierung sowohl mit γ- als auch γ´-Phasen ist, kann die strukturelle Beschichtung ähnliche Materialzusammensetzungen aufweisen wie in dem U.S. Patent Nr. 5,626,462 diskutiert. Zusätzlich kann bei Superlegierungen die strukturelle Beschichtung 54 Zusammensetzungen auf der Basis der γ´-Ni₃Al-Familie von Legierungen aufweisen.
Insbesondere wird die Zusammensetzung der strukturellen Beschichtung durch die Zusammensetzung des darunter liegenden Substrates vorgegeben. Beispielsweise enthält für CMC-Substrate, wie z.B. für eine mit SiC-Fasern verstärkte Siliziumkarbid-(SiC)-Matrix die strukturelle Beschichtung typischerweise Silizium.
Für weitere Prozessausgestaltungen wird die strukturelle Beschichtung abgeschieden, indem wenigstens einer von einem thermischen Spritzprozess und eines kalten Spritzprozess durchgeführt wird. Beispielsweise kann der thermische Spritzprozess Verbrennungsspritzen oder Plasmaspritzen beinhalten, das Verbrennungsspritzen kann ein Hochgeschwindigkeitssauerstoffbrennstoffspritzen (HVOF) oder ein Hochgeschwindigkeitsluftbrennstoffspritzen (HVAF) umfassen kann und das Plasmaspritzen kann atmosphärisches (wie z.B. Luft- oder Inertgas-)-Plasmaspritzen oder Niederdruckplasmaspritzen (LPPS, welches auch als Vakuumplasmaspritzen oder VPS bekannt ist) aufweisen. In einem nicht einschränkenden Beispiel wird eine (NiCo)CrAlY-Beschichtung durch HVOF oder HVAF abgeschieden. Weitere Beispieltechniken zur Abscheidung der strukturellen Beschichtung beinhalten, ohne Einschränkung, Sputtern, physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahlen, Einschlussplattierung und Elektroplattierung.
Wie in der U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 12/943,624 Bunker et al., "Bauteile mit hinterschnitten geformten Kühlkanälen und Herstellungsverfahren dazu" diskutiert, erfordern derzeitige Techniken zum Erzeugen von Mikrokanälen typischerweise die Verwendung eines Opferfüllmaterials, um eine Abscheidung der Beschichtung in den Mikrokanälen zu verhindern, um die Beschichtung während der Abscheidung zu unterstützen, sowie die Entfernung des Opferfüllmaterials nach der Abscheidung des Beschichtungssystems. Jedoch stellen sowohl das Füllen der Kanäle mit einem flüchtigen Material als auch die spätere Entfernung dieses Materials mögliche Probleme für derzeitige Mikrokanalverarbeitungstechniken dar. Beispielsweise muss das Füllmaterial mit dem Substrat und den Beschichtungen kompatibel sein und auch noch eine minimale Schrumpfung aufweisen, und auch eine ausreichende Festigkeit haben. Die Entfernung des Opferfüllmaterials beinhaltet möglicherweise schädigende Prozesse einer Auslaugung, Ätzung oder Verdampfung und erfordert typischerweise lange Zeiträume. Restliches Füllmaterial ist ebenfalls ein Problem.
Die Formung eines Kanals mit einer hinterschnitten geformten Geometrie und einer kleinen oberen Oberflächenöffnungsbreite trägt dazu bei, Beschichtungsabscheidungen aus dem Kanal herauszuhalten. Jedoch kann, wenn keine Füllmaterialien verwendet werden, die Öffnungsbreite des Kanals nicht ausreichen, um die Abscheidung von Beschichtungsmaterial aus dem Kanal herauszuhalten. 12 stellt Beispielfüllverhältnisse für Kanäle mit unterschiedlichen Querschnittsflächen A dar. So wie hierin verwendet, ist das "Füllverhältnis" der Prozentsatz der von der Beschichtung belegten Kanalfläche, die (dargestellt durch das Bezugszeichen 162 in 12) in dem Kanal abgeschieden wird. Beispielsweise wäre, wenn keine Beschichtung in dem Kanal abgeschieden würde, das Füllverhältnis Null. Ebenso wäre, wenn die gesamte Querschnittsfläche des Kanals mit abgeschiedener Beschichtung gefüllt wäre, das Füllverhältnis 100%. Es sei angemerkt, dass für das in 12 dargestellte Beispiel die Kanäle A–E gleiche Öffnungsbreiten haben. Jedoch ist, wie es in 12 dargestellt ist, ein erheblicher Anteil des rechteckigen Kanals mit Beschichtungsmaterialien gefüllt, während die hinterschnitten geformten Kanäle zunehmend geringere Beschichtungsabscheidung als ein Anteil der Kanalquerschnittsfläche haben, wenn die Kanäle im Profil stärker hinterschnitten werden (d.h. von D nach A übergehen). Obwohl kleinere sich Null annähernde Öffnungsbreiten dazu beitragen, die Beschichtungsabscheidungen aus den Kanälen herauszuhalten, erklärt dieses nicht das hier zu sehende Verhalten.
Ohne Einschränkung durch eine spezielle Theorie vermutet man, dass der gerichtete und auftreffende Strahl Luft in dem Kanalvolumen einschließt und in einem bestimmten Umfang (vielleicht durch Erhitzung) unter Druck setzt und dass diese eingeschlossene Luft als ein Rückdruck und eine Blockierung dient, die einen Zugang der Beschichtungspartikel (der meisten oder aller) in das Innere des Kanals verhindert. Diese physikalische Erklärung für das beobachtete Phänomen trifft insbesondere auf jeden in Luft ausgeführten Prozess, wie z.B. die thermische Spritzbeschichtung zu. Obwohl der auftreffende Strahl einen wesentlich größeren effektiven Durchmesser als die Größe der Kanalöffnung hat, reicht dieses nicht alleine aus, um für den beobachteten Effekt zu sorgen. Ein ausreichendes Innenvolumen von unter Druck stehender Blockierungsluft ist erforderlich, welches auch innerhalb des Volumens zirkulieren kann, und somit zu einem Bereich erwünschter und erforderlicher Verhältnisse von Kanalquerschnittsflächen führt, welche für die beobachteten Ergebnisse sorgen.
Für spezielle Prozesse ist das Füllverhältnis für die in jeder Nut abgeschiedenen Beschichtung weniger als 20 Prozent und insbesondere weniger als 10 Prozent. Siehe beispielsweise die Kanäle A und B in 12 und den Kanal G in 15. Zusammengefasst stellt 15 den Beschichtungsanteil (in Bezug auf die Gesamtquerschnittsfläche der entsprechenden Kühlkanäle) dar, der in vier runden Kühlkanälen G–J abgeschieden wird. Wie man in 15 sehen kann, ist A > 2R für den Kühlkanal G, A ungefähr 2R für den Kühlkanal H und A < 2R für die Kühlkanäle I und J. Obwohl die in den Kanälen G–J abgeschiedene Beschichtungsmenge 162 etwa dieselbe in jedem Kühlkanal ist, ist der Prozentsatz der durch die Beschichtungsabscheidung 162 belegten Querschnittsfläche für den Kühlkanal G wesentlich kleiner als er für den Kühlkanal J ist. Ein relativ offener Kanal verbessert vorteilhaft den Kühlungsstrom durch den Kanal.
Gemäß 14 enthält die Beschichtung wenigstens eine strukturelle Beschichtung 54 und eine Zusatzbeschichtung 56 und jede Nut 132 ist wenigstens teilweise in der strukturellen Beschichtung 54 ausgebildet. Für spezielle Ausgestaltungen (14) sind die Nuten vollständig in der strukturellen Beschichtung 54 ausgebildet. Jedoch erstrecken sich für andere (nicht dargestellte) Ausgestaltungen die Nuten durch die strukturelle Beschichtung hindurch in das Substrat 110.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht vorteilhaft die Beschichtung des gekühlten Bauteils ohne die Verwendung von Opferfüllmaterialien. Indem die Öffnungen 136 mit der Beschichtung 150 ohne die Verwendung eines Opferfüllmaterials überbrückt werden, können zwei von den Hauptverarbeitungsschritten (Füllen und Auslaugen) für herkömmliche Kanalerzeugungstechniken eliminiert werden.
Eine Ausführungsform eines Bauteils 100 der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 2–15 beschrieben. Wie in 2 angezeigt, enthält das Bauteil 100 ein Substrat 110 mit einer Außenoberfläche 112 und einer Innenoberfläche 116. Das Substrat 110 ist vorstehend beschrieben. Wie in 2 angezeigt, definiert beispielsweise die Innenoberfläche 116 wenigstens einen Innenraum 114. Gemäß Darstellung in 8 definiert die Außenoberfläche 112 eine oder mehrere Nuten 132. Jede Nut 132 erstreckt sich wenigstens teilweise entlang der Oberfläche 112 des Substrates 110 und verengt sich an einer Öffnung 136 davon, sodass jede Nut 132 eine hinterschnitten geformte Nut 132 ist. Gemäß den 7 und 10 liegt beispielsweise die Querschnittsfläche A jeder Nut in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. dem 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung 136 der hinterschnitten geformten Nut 132 und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut 132 ist. Wie vorstehend erwähnt, ist die Fläche R die Querschnittsfläche einer hypothetisch rechteckigen Nut mit derselben Breite an der Öffnung und derselben Tiefe wie die hinterschnitten geformte Nut.
Wie in 8 dargestellt, enthält das Bauteil 100 ferner wenigstens eine Beschichtung 150, die über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche 112 des Substrates 110 angeordnet ist. Die Beschichtung 150 ist vorstehend beschrieben und kann eine oder mehrere Beschichtungslagen mit nur einer oder unterschiedlichen Zusammensetzungen aufweisen. Wie in 8 dargestellt, definieren beispielsweise die Nut(en) 132 und die Beschichtung 150 einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle 130 zum Kühlen des Bauteils 100. Für spezielle Ausgestaltungen (8 und 12) überbrückt die Beschichtung 150 vollständig jede Nut 132 dergestalt, dass die Beschichtung 150 den entsprechenden Mikrokanal 130 verschließt. Jedoch definiert für weitere Ausgestaltungen (siehe beispielsweise 14, welche poröse Spalte 144 für den Fall von Nuten darstellt, die in einer strukturellen Beschichtungslage 54 ausgebildet sind) die Beschichtung 150 einen oder mehrere poröse Spalte 144 dergestalt, dass die Beschichtung 150 nicht vollständig jede Nut 132 überbrückt.
Für spezielle Ausgestaltungen ist jede Nut 132 um die Mittellinie symmetrisch. Wie vorstehend erwähnt, sollte "symmetrisch" als kleinere Abweichungen in dem Profil der Nut, die sich aus der Bearbeitungsgenauigkeit ergibt, mit umfassend verstanden werden. Beispielsweise sind die in den 6–8 und 10–12 dargestellten Nuten um die Mittellinie symmetrisch. Die Nuten haben eine flache Basis wie beispielsweise in den 6–8 dargestellt. Für andere Ausgestaltungen kann die Basis 134 der Nut 132 abgerundet sein. Beispielsweise kann die Nut tropfenförmig gestaltet sein, wie es beispielsweise in 11 dargestellt ist.
Jedoch kann für andere Ausgestaltungen jede Nut 132 einen asymmetrischen Querschnitt haben, wie er beispielsweise in 13 dargestellt ist. Wie vorstehend angemerkt, werden asymmetrische Nuten in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 13/664,458 diskutiert.
Gemäß den 8 und 9 können ein oder mehrere Zugangslöcher 140 in dem Substrat 110 ausgebildet sein. Wie in 14 dargestellt, verbindet beispielsweise jedes Zugangsloch die entsprechende Nut 132 in Fluidverbindung mit dem entsprechenden Innenraum 114. Wie vorstehend erwähnt, sind die in 8 dargestellten Löcher 140 diskrete Löcher, die in dem dargestellten Querschnitt angeordnet sind, und sich nicht durch das Substrat entlang des Verlaufs der Nuten 132 erstrecken. Zugangslöcher sind vorstehend unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben.
Für spezielle Ausgestaltungen ist das Füllverhältnis für die in jeder Nut abgeschiedene Beschichtung weniger als 20 Prozent und insbesondere weniger als 10 Prozent. Siehe beispielsweise die Kanäle A und B in 12 und den Kanal G in 15. Wie vorstehend erwähnt, ist das "Füllverhältnis" der Prozentsatz der von der Beschichtung belegten Kanalfläche, die in dem Kanal abgeschieden ist. Vorteilhaft können bei einem niedrigen Füllverhältnis die Kanäle ausreichend Kühlmittel für eine gegebene Kanalquerschnittsfläche transportieren.
Vorteile des vorstehend beschriebenen Bauteils umfassen verbesserte Kühlung bei reduzierten Herstellungskosten, indem zwei oder mehr von den teueren Prozessschritten (Füllen und Auslagen) für die Beschichtung herkömmlicher gekühlter Bauteile eliminiert werden.
Ein weiteres Bauteil 100 der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 2–15 beschrieben. Wie in 2 angezeigt, enthält das Bauteil 100 ein Substrat 110 mit einer Außenoberfläche 112 und einer Innenoberfläche 116. Wie in 2 angezeigt, definiert beispielsweise die Innenoberfläche 116 wenigstens einen Innenraum 114. Das Substrat 110 ist vorstehend beschrieben.
Wie in 14 angezeigt, enthält das Bauteil 100 wenigstens eine über wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche 112 des Substrates 110 abgeschiedene Beschichtung 150. Wie in 14 angezeigt, enthält die Beschichtung 150 wenigstens eine innere Schicht einer strukturellen Beschichtung 54, die auf der Außenoberfläche 112 des Substrates 110 angeordnet ist und eine Zusatzbeschichtung 56. Diese Zusatzbeschichtung 56 kann eine oder mehrere unterschiedliche Beschichtungslagen aufweisen. Beispielsweise kann die Zusatzbeschichtung 56 eine zusätzliche strukturelle Beschichtung und/oder eine optionale Zusatzbeschichtungslage(n), wie z.B. Haftbeschichtungen, Wärmeschutzbeschichtungen (TBCs) und oxidationsbeständige Beschichtungen aufweisen. Für spezielle Ausgestaltungen weist die Zusatzbeschichtung 56 eine äußere strukturelle Beschichtungslage auf (welche durch das Bezugszeichen 56 dargestellt wird). Für spezielle Ausgestaltungen haben die strukturelle Beschichtung 54 und die Zusatzbeschichtung 56 eine kombinierte Dicke in dem Bereich von 0,1 bis 2,0 mm und bevorzugter in dem Bereich von 0,2 bis 1 mm und insbesondere in dem Bereich von 0,2 bis 0,5 mm für industrielle Bauteile. Für Luftfahrtbauteile liegt dieser Bereich typischerweise zwischen 0,1 bis 0,25 mm. Es können jedoch andere Dicken abhängig von den Anforderungen für ein spezielles Bauteil 100 verwendet werden.
Für die in 14 dargestellte exemplarische Ausgestaltung sind die Nuten 132 wenigstens teilweise in der strukturellen Beschichtung 54 ausgebildet. Jede Nut 132 erstreckt sich wenigstens teilweise entlang der Oberfläche 112 des Substrates 110 und verengt sich an einer Öffnung 136 davon dergestalt, dass jede Nut 132 eine hinterschnitten geformte Nut 132 aufweist. (Diese Verlängerung der Nuten entlang des Substrats ist ähnlich der in 8 dargestellten Anordnung für den Fall von in dem Substrat ausgebildeten Nuten). Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 10 diskutiert, liegt beispielsweise die Querschnittsfläche A jeder Nut in dem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 5-fachen der Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung 136 der hinterschnitten geformten Nut 132 ist, und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut 132 ist. Beispielsweise haben die Kanäle A und B in 10 Flächen A von 2,33 R bzw. 2 R. Wie in 14 dargestellt, definieren die Nuten 132 und die Zusatzbeschichtung 56 zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle 130 zum Kühlen des Bauteils 100.
Für spezielle Ausgestaltungen befindet sich jede Nut 132 vollständig innerhalb der strukturellen Beschichtung 54. Siehe beispielsweise 14. Für weitere (nicht ausdrücklich dargestellte) Ausgestaltungen erstreckt sich jede Nut 132 durch die strukturelle Beschichtung 54 hindurch in das Substrat 110. Für spezielle Ausgestaltungen überbrückt die Zusatzbeschichtung 56 vollständig die entsprechenden Nuten 132 dergestalt, dass die Zusatzbeschichtung 56 die entsprechenden Mikrokanäle 130 verschließt. (Siehe beispielsweise 6 für den Fall von in dem Substrat ausgebildeten Nuten). Jedoch definiert die Zusatzbeschichtung 56 für andere Ausgestaltungen einen oder mehrere poröse Spalte 144 dergestalt, dass die Zusatzbeschichtung 150 nicht vollständig die entsprechenden Nuten 132 überbrückt. (Siehe beispielsweise 14).
Die Geometrie der Nuten ist vorstehend beschrieben. Für spezielle Ausgestaltungen ist jede Nut 132 um die Mittellinie symmetrisch. Beispielsweise sind die in den 6–8 und 10–12 dargestellten Nuten um die Mittellinie herum symmetrisch. Wie vorstehend angemerkt, können die Nuten eine flache Basis 134 haben, wie es beispielsweise in 14 dargestellt ist. Für andere Ausgestaltungen kann die Basis 134 der Nut 132 gerundet sein. Beispielsweise kann die Nut tropfenförmig sein, wie es beispielsweise in 11 dargestellt ist.
Jedoch kann jede Nut 132 für andere Ausgestaltungen einen asymmetrischen Querschnitt haben, wie es beispielsweise in 13 dargestellt ist. Wie vorstehend angemerkt, werden asymmetrische Nuten in der gemeinsam übereigneten U.S. Patentanmeldung Ser.-Nr. 13/664,458 diskutiert.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 8 und 9 erwähnt, können ein oder mehrere Zugangslöcher 140 in dem Substrat 110 ausgebildet sein. Wie in 14 angezeigt, verbindet beispielsweise jedes Zugangsloch 140 die entsprechende Nut 132 in Fluidverbindung mit dem entsprechenden Innenraum 114. Wie vorstehend angemerkt, sind die in 8 dargestellten Löcher 140 diskrete Löcher, die sich in dem dargestellten Querschnitt befinden und sich nicht durch das Substrat hindurch entlang der Länge der Nuten 132 erstrecken.
Für spezielle Ausgestaltungen ist das Füllverhältnis für die in jeder Nut abgeschiedene Beschichtung weniger als zwanzig Prozent und insbesondere weniger als zehn Prozent. Siehe beispielsweise die Kanäle A und B in 12 und Kanal G in 15. Wie vorstehend erwähnt, ist das "Füllverhältnis" der Prozentsatz der von der Beschichtung belegten Kanalfläche, die in dem Kanal abgeschieden ist.
Vorteile des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens und der Bauteile umfassen verbesserte Kühlung und reduzierte Herstellungskosten in Verbindung mit der Elimination von zwei oder mehr von den teueren Prozessschritten (Füllen und Auslagen) zur Beschichtung eines gekühlten Bauteils.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bereitgestellt. Das Bauteil beinhaltet ein Substrat, das wenigstens einen Innenhohlraum besitzt. Das Verfahren beinhaltet die Ausbildung einer oder mehrerer Nuten in dem Bauteil. Jede Nut erstreckt sich wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates und verengt sich an einer Öffnung davon dergestalt, dass jede Nut hinterschnitten geformt ist. Die Querschnittsfläche A jeder Nut liegt in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D, wobei W die Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D die Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist. Bauteile mit in dem Substrat ausgebildeten Nuten und Bauteile mit wenigstens teilweise in einer strukturellen Beschichtung ausgebildeten Nuten werden ebenfalls bereitgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5626462 [0056, 0068]
US 1005/0013926 [0063]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Substrat, das wenigstens einen Innenhohlraum besitzt, wobei das Verfahren den Schritt der Ausbildung einer oder mehrerer Nuten in dem Bauteil aufweist, wobei sich jede Nut wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates erstreckt und sich an einer Öffnung davon dergestalt verengt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist, und wobei eine Querschnittsfläche A jeder Nut in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D liegt, wobei W eine Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D eine Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Nut um die Mittellinie herum symmetrisch ist oder einen asymmetrischen Querschnitt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Basis einer entsprechenden Nut gerundet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt der Ausbildung eines oder mehrerer Zugangslöcher in dem Substrat aufweist, wobei jedes Zugangsloch eine von der/den Nut(en) mit dem entsprechenden Innenhohlraum in Fluidverbindung verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt der Anordnung einer Beschichtung über wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des Substrates aufweist, wobei die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung abgeschieden wird, indem ein thermisches Spritzverfahren durchgeführt wird.
Bauteil, aufweisend: ein Substrat mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche, wobei die Innenoberfläche wenigstens einen Innenhohlraum definiert, wobei die Außenoberfläche eine oder mehrere Nuten definiert, wobei sich jede Nut wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Substrates erstreckt und an einer Öffnung davon dergestalt verengt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist, und wobei eine Querschnittsfläche A jeder Nut in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D liegt, wobei W eine Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D eine Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist; und wenigstens eine über einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Beschichtung, wobei die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils definieren.
Bauteil nach Anspruch 7, wobei jede Nut um die Mittellinie symmetrisch ist oder wobei jede Nut einen asymmetrischen Querschnitt hat.
Bauteil nach Anspruch 7, wobei ein oder mehrere Zugangslöcher in dem Substrat ausgebildet sind, und wobei jedes Zugangsloch die entsprechende Nut mit dem entsprechenden Innenhohlraum in Fluidverbindung verbindet.
Bauteil, aufweisend: ein Substrat mit einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche, wobei die Innenoberfläche wenigstens einen Innenhohlraum definiert; und wenigstens eine über wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Substrates angeordnete Beschichtung, wobei die Beschichtung wenigstens eine innere Lage einer auf der Außenoberfläche des Substrates abgeschiedenen strukturellen Beschichtung und eine Zusatzbeschichtung aufweist, wobei eine oder mehrere Nuten wenigstens teilweise in der strukturellen Beschichtung ausgebildet sind, wobei sich jede Nut wenigstens teilweise entlang der Oberfläche des Substrates erstreckt und sich an einer Öffnung davon dergestalt verengt, dass jede Nut eine hinterschnitten geformte Nut aufweist, wobei eine Querschnittsfläche A jeder Nut X in einem Bereich von ca. dem 2- bis ca. 3-fachen einer Fläche R = W·D liegt, wobei W eine Breite der Öffnung der hinterschnitten geformten Nut ist und D eine Tiefe der hinterschnitten geformten Nut ist, und wobei die Nut(en) und die Beschichtung zusammen einen oder mehrere hinterschnitten geformte Kanäle zum Kühlen des Bauteils definieren.