DE102015210744A1 - Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfußabschnitt (2), einem sich an den Schaufelfußabschnitt (2) anschließenden Schaufelblattabschnitt (3) und einem sich an den Schaufelblattabschnitt (3) anschließenden Schaufelspitzenabschnitt (4), wobei der Schaufelfußabschnitt (2), der Schaufelblattabschnitt (3) und der Schaufelspitzenabschnitt (4) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei sich durch den Schaufelfußabschnitt (2) und den Schaufelblattabschnitt (3) zumindest ein als Kühlkanal dienender Hohlraum (5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schaufelblattabschnitt (3) unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt wird, und dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) nach einem Entfernen angebackenen Pulvermaterials aus dem zumindest einen Hohlraum (5) unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie gefertigt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfußabschnitt, einem sich an den Schaufelfußabschnitt anschließenden Schaufelblattabschnitt und einem sich an den Schaufelblattabschnitt anschließenden Schaufelspitzenabschnitt, wobei der Schaufelfußabschnitt, der Schaufelblattabschnitt und der Schaufelspitzenabschnitt stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei sich durch den Schaufelfußabschnitt und den Schaufelblattabschnitt zumindest ein als Kühlkanal dienender Hohlraum erstreckt.
  • Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art. Die einen Schaufelfußabschnitt, einen Schaufelblattabschnitt und einen Schaufelspitzenabschnitt aufweisen, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt und werden beispielsweise in Gasturbinen als Laufschaufeln verbaut, wo sie die Strömungsenergie sich entspannenden Heißgases in Rotationsenergie umgewandelt.
  • Während des Betriebs einer Gasturbine sind die Turbinenschaufeln in Folge der hohen Temperaturen des Heißgases und der hohen Drehzahl der Turbinenwelle einer starken thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Massiv ausgebildete Laufschaufeln bieten einerseits eine hohe mechanische Belastbarkeit. Andererseits begrenzen sie jedoch die maximal zulässige Temperatur des durchströmenden Heizgases und somit den Wirkungsgrad der Gasturbine. Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit werden der Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt daher häufig mit Kühlkanäle bildenden Hohlräumen versehen, die sich in radialer Richtung erstrecken und während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Gasturbine von einem Kühlfluid durchströmt werden. Das in der Turbinenschaufel erwärmte Kühlfluid verlässt die Turbinenschaufel dann über entsprechende Kühlfluidauslassöffnungen und strömt zusammen mit dem entspannten Heißgas durch einen Abgaskanal aus der Gasturbine.
  • Massiv ausgebildete Turbinenschaufeln unterliegen in Bezug auf ihre Herstellung keinen praktischen Beschränkungen, da sie alleine durch spanende Außenbearbeitung eines Rohlings hergestellt werden können. Gekühlte Turbinenschaufeln dagegen werden wegen ihrer durch die Hohlräume bedingten komplexen Formen meist mittels Gießen hergestellt. Dazu wird in eine die Außenfläche der Turbinenschaufel definierenden Gussform zumindest ein Kern zum Erzeugen des wenigsten einen Hohlraums eingelegt. Dieser wird mit Positioniermitteln in der Gussform ausgerichtet, um die geforderte Wandstärke der Turbinenschaufel einzustellen. Dann wird der zwischen der Gussform und dem Kern verbleibende Zwischenraum mit erhitztem flüssigen Gusswerkstoff gefüllt. Nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs kann dann der Kern chemisch entfernt werden, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels, um auf diese Weise den Hohlraum freizulegen.
  • Von Turbinenschaufeln mit neu entwickelten Designs werden zunächst Prototypen gefertigt, die dann in einer Gasturbine getestet werden. Bei der Herstellung solcher Prototypen kommen immer häufiger additive Fertigungsverfahren zum Einsatz, da diese die Möglichkeit bieten, Turbinenschaufeln ausgehend von einer CAD-Zeichnung innerhalb kürzester Zeitintervalle schichtweise aufzubauen. Ein grundsätzlich vielversprechendes additives Fertigungsverfahren ist das LMD-Verfahren (Laser Metall Deposition), bei dem ein pulverförmiger metallischer Werkstoff einem Trägergasstrom zugeführt und auf dem Weg zur Beschichtungsposition von einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Ein wesentlicher Vorteil des LMD-Verfahrens besteht darin, dass sich auch sehr komplexe, mit Hohlräumen und Hinterschneidungen versehene Formen fertigen lassen. Metallische Werkstoffe mit sehr hohem γ‘-Anteil lassen sich hingegen nicht oder nur sehr schlecht verarbeiten, wie beispielsweise Nickelbasis-Legierungen, aus denen thermisch stark beanspruchte Turbinenschaufeln häufig hergestellt sind.
  • Eine Alternative stellt das EBM-Verfahren (Electron Beam Melting) dar. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem metallische Bauteile Schicht für Schicht aus einem Pulverbett generiert werden, indem Bereiche des Pulverbetts unter Verwendung eines Elektronenstrahls aufgeschmolzen und entsprechend verfestigt werden. Aufgrund der hohen Prozesstemperaturen lassen sich auch metallische Werkstoffe mit hohem γ‘-Anteil verarbeiten. Während der Durchführung des Verfahrens ist allerdings dafür Sorge zu tragen, dass das Pulverbett auch in Bereichen, in denen keine Bauteilschicht generiert wird, anbäckt, um den so genannten „Smoke-Effekt“ aufgrund elektrischer Aufladung des Pulvers zu verhindern, der dazu führt, dass sich Pulver des Pulverbettes unkontrolliert im gesamten Bauraum verteilt. Entsprechend muss das angebackene Pulver nachträglich mit geeignetem Werkzeug entfernt werden. Hierzu muss das angebackene Pulver jedoch zugänglich sein. Diese Zugänglichkeit ist bei innenliegenden Hohlräumen grundsätzlich nicht gegeben, wie beispielsweise bei Kühlkanäle definierenden Hohlräumen von Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art. Vor diesem Hintergrund wird das EBM-Verfahren derzeit ausschließlich für die Fertigung von Prototypen von massiv ausgebildeten Turbinenschaufeln eingesetzt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum fertigen einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest der Schaufelblattabschnitt unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt wird, und das der Schaufelspitzenabschnitt nach einem entfernen angebackenem Pulvermaterials aus dem zumindest einem Hohlraum unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie gefertigt wird. Aufgrund der Tatsache, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schaufelblattabschnitt zunächst ohne den Schaufelspitzenabschnitt unter Einsatz eines EMB-Verfahrens generiert wird, bleibt zumindest ein Hohlraum, der durch den Schaufelblattabschnitt definiert wird, zumindest an der Oberseite offen und damit zur Entfernung angebackenem Pulvermaterials zugänglich. Entsprechend kann der Schaufelblattabschnitt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus nahezu beliebigen metallischen Materialien bzw. mittels Legierungen schnell und preiswert hergestellt werden, was insbesondere bei der Prototypen Fertigung von großem Vorteil ist. So lässt sich der Schaufelblattabschnitt beispielsweise aus einer Superlegierung fertigen, zum Beispiel aus einer Nickelbasis-Superlegierung.
  • Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung werden der Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt. Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass sich ein großer Teil der Turbinenschaufel quasi direkt aus eine CAD-Zeichnung generieren lässt.
  • Gemäß einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaufelfußabschnitt als vorgefertigtes Bauteil bereit gestellt, wobei der Schaufelblattabschnitt unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußabschnitt aufgebaut wird, oder wobei der Schaufelblattabschnitt vorab unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt und anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt wird.
  • Handelt es sich bei dem Schaufelfußabschnitt um ein vorgefertigtes Bauteil, so wird dieser bevorzugt gießtechnisch hergestellt. Alternativ kann aber auch ein noch intakter Schaufelfußabschnitt einer ausgemusterten Turbinenschaufel zum Einsatz kommen.
  • Gemäß einer aus Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Schaufelblattabschnitt und der Schaufelfußabschnitt aus einem ersten Material hergestellt, und der Schaufelspitzenabschnitt ist aus einem zweitem Material hergestellt, das von dem ersten Material verschieden ist, wobei es sich bei dem zweiten Material insbesondere um ein Material handelt, das eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das erste Material aufweist. Diese Materialauswahl ist dahingehend von Vorteil, dass sie den tatsächlichen Beanspruchungen einer Turbinenschaufel gerecht wird. Während der Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt während des bestimmungsgemäßen Einsatzes einer Turbinenschaufel aufgrund der dynamischen Kräfte meist sehr hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ist dies bei dem Schaufelspitzenabschnitt weniger der Fall. Bei dem Schaufelspitzenabschnitt steht vielmehr eine hohe Oxidationsbeständigkeit im Vordergrund. So kann der Schaufelspitzenabschnitt beispielsweise aus IN738LC gefertigt werden.
  • Vorteilhaft sind der Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt aus einer Superlegierung hergestellt, insbesondere aus einer Nickelbasis-Legierung. Superlegierungen und insbesondere Nickelbasis-Legierungen haben sich als Materialien insbesondere für Gasturbinenschaufeln in der Vergangenheit bewehrt.
  • Gemäß einer aus Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaufelspitzenabschnitt nach der Herstellung des Schaufelblattabschnittes als vorgefertigtes Bauteil stoffschlüssig mit dem Schaufelblatt verbunden oder unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens schichtweise am freien Ende des Schaufelblattabschnittes aufgebaut, insbesondere unter Einsatz eines LMD-Verfahrens. Das LMD-Verfahren ist für die Fertigung des Schaufelspitzenabschnittes dahingehend von Vorteil, dass unter Einsatz des LMD-Verfahrens das Material direkt auf dem Schaufelblattabschnitt aufgetragen werden kann, ohne das es der Ausbildung eines Pulverbettes bedarf.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutlich, die schematisch eine Querschnittansicht einer Turbinenschaufel zeigt, die unter Einsatz eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde.
  • Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelfußabschnitt 2, einen sich an den Schaufelfußabschnitt 2 anschließenden Schaufelblattabschnitt 3 und einen sich an den Schaufelblattabschnitt 3 anschießenden Schaufelspitzenabschnitt 4, wobei der Schaufelfußabschnitt 2, der Schaufelblattabschnitt 3 und der Schaufelspitzenabschnitt 4 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Durch den Schaufelfußabschnitt 2 und den Schaufelblattabschnitt 3 erstreckt sich radial ein als Kühlkanal dienender Hohlraum 5. Der Hohlraum 5 ist vorliegend durch eine Trennwand 6 unterteilt, die sich ausgehend von dem Schaufelfußabschnitt 2 radial auswärts in Richtung des Schaufelspitzenabschnittes 4 erstreckt, wodurch der Hohlraum 5 insgesamt im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Es sollte jedoch klar sein, dass die Form und die Position der Trennwand 6 ebenso wie die Trennwand 6 selbst optional sind. Auch können natürlich mehrere Trennwände 6 vorgesehen sein, die den Hohlraum 5 in anderer Weise unterteilen. An einer stromabwärtigen Kante 7 des Schaufelblattabschnittes 3 sind Kühlfluidauslassöffnungen 8 ausgebildet, die mit dem Hohlraum 5 kommunizieren. Bei der Turbinenschaufel 1 handelt es sich vorliegend um eine Laufschaufel einer Gasturbine. Grundsätzlich kann die Turbinenschaufel 1 aber auch in anderen Turbinen zum Einsatz kommen.
  • Zur Herstellung der Turbinenschaufel 1 werden in einem ersten Schritt der Schaufelfußabschnitt 2 und der Schaufelblattabschnitt 3 gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise aus einer Superlegierung hergestellt, vorliegend aus einer Nickelbasis-Superlegierung. Hierbei werden der Schaufelfußabschnitt 2 und daraufhin der Schaufelblattabschnitt 3 Schicht für Schicht aus einem Superlegierungspartikel aufweisenden Pulverbett generiert, indem Bereiche des Pulverbetts unter Verwendung eines Elektronenstrahls in bekannter Weise aufgeschmolzen und entsprechend verfestigt werden. Dabei wird das Pulverbett auch in Bereichen, in denen keine Bauteilschicht generiert wird, angebacken, um auf diese Weise den eingangs bereits beschriebenen "Smoke-Effekt" zu verhindern. Nach der Fertigstellung des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schaufelblattabschnittes 3 werden die angebackenen Bereiche des Pulverbettes im Bereich des Hohlraums 5 mit geeigneten Werkzeugen gelöst und entfernt. Der Hohlraum 5 ist dabei sowohl vom unteren Ende des Schaufelfußabschnittes 2 als auch vom oberen Ende des Schaufelblattabschnittes 3 zugänglich. Die Kühlfluidauslassöffnungen 8 können bereits während der additiven Fertigung des Schaufelblattabschnittes 3 hergestellt werden. Alternativ können Sie aber auch nachträglich eingebracht werden, beispielsweise mittels Bohren oder dergleichen.
  • Der Schaufelfußabschnitt 2 kann alternativ bereits als vorgefertigtes Bauteil bereitgestellt werden. So kann der Schaufelfußabschnitt 2 beispielsweise als Gussteil bereitgestellt werden. Ebenso ist es aber auch möglich, einen noch intakten Schaufelfußabschnitt einer ausgemusterten Turbinenschaufel zu verwenden. Wird für den Schaufelfußabschnitt 2 ein vorgefertigtes Bauteil eingesetzt, so kann der Schaufelblattabschnitt 3 unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußabschnitt 2 aufgebaut werden. Ebenso ist es aber auch möglich, den Schaufelblattabschnitt 3 vorab unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise herzustellen und anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt 2 stoffschlüssig zu verbinden, insbesondere zu verschweißen.
  • Nach dem Entfernen des angebackenen Pulvermaterials aus dem Hohlraum 5 wird in einem weiteren Schritt unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie der Schaufelspitzenabschnitt 4 gefertigt. Hierzu wird ein Material verwendet, das sich von dem Material des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schaufelblattabschnittes 3 unterscheidet. Bei dem Material des Schaufelspitzenabschnittes 4 handelt es sich insbesondere um ein solches Material, das eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das Material des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schaufelblattabschnittes 3 aufweist. Insbesondere wird IN738LC als Material des Schaufelspitzenabschnittes 4 verwendet.
  • Der Schaufelspitzenabschnitt 4 wird vorliegend schichtweise unter Einsatz eines LMD-Verfahrens am freien Ende des Schaufelblattabschnittes 3 aufgebaut. Es sollte jedoch klar sein, dass grundsätzlich auch ein alternatives additives Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen kann, solange es sich hierbei nicht um ein pulverbettbasiertes Verfahren handelt. Alternativ ist es auch möglich, den Schaufelspitzenabschnitt 4 als vorgefertigtes Bauteil, beispielsweise in Form eines Gussteils, stoffschlüssig mit dem Schaufelblatt 3 zu verbinden, insbesondere zu verschweißen.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren bestehet darin, dass sich Turbinenschaufeln, deren Schaufelfußabschnitt und Schaufelblattabschnitte aus Werkstoffen mit hohem γ‘-Anteil bestehen, insbesondere aus Superlegierungen, in sehr kurzen Zeitintervallen einfach und preiswert herstellen lassen, was insbesondere für die Prototypenfertigung von Vorteil ist.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelfußabschnitt (2), einem sich an den Schaufelfußabschnitt (2) anschließenden Schaufelblattabschnitt (3) und einem sich an den Schaufelblattabschnitt (3) anschließenden Schaufelspitzenabschnitt (4), wobei der Schaufelfußabschnitt (2), der Schaufelblattabschnitt (3) und der Schaufelspitzenabschnitt (4) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei sich durch den Schaufelfußabschnitt (2) und den Schaufelblattabschnitt (3) zumindest ein als Kühlkanal dienender Hohlraum (5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schaufelblattabschnitt (3) unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt wird, und dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) nach einem Entfernen angebackenen Pulvermaterials aus dem zumindest einen Hohlraum (5) unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie gefertigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfußabschnitt (2) als vorgefertigtes Bauteil bereitgestellt wird, wobei der Schaufelblattabschnitt (3) unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußabschnitt (2) aufgebaut wird, oder wobei der Schaufelblattabschnitt (3) vorab unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt und anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt (2) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfußabschnitt (2) gießtechnisch hergestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) aus einem ersten Material hergestellt sind, und dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) aus einem zweiten Material hergestellt ist, das von dem ersten Material verschieden ist, wobei es sich bei dem zweiten Material insbesondere um ein Material handelt, dass eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das erste Material aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) aus einer Superlegierung hergestellt sind, insbesondere aus einer Nickelbasis-Legierung.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) nach der Herstellung des Schaufelblattabschnittes (2) als vorgefertigtes Bauteil stoffschlüssig mit dem Schaufelblattabschnitt (3) verbunden oder unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens schichtweise am freien Ende des Schaufelblattabschnittes (3) aufgebaut wird, insbesondere unter Einsatz eines LMD-Verfahrens.
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