DE102016122312A1

DE102016122312A1 - Gegenstand und Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands

Info

Publication number: DE102016122312A1
Application number: DE102016122312.3A
Authority: DE
Inventors: Gary Michael Itzel; Benjamin Paul Lacy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-06-14
Also published as: CN106907187A; US10053988B2; IT201600123332A1; JP2017115864A; US20170167270A1

Abstract

Es sind ein Gegenstand (100) und ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands (100) geschaffen. Der Gegenstand (100) enthält einen Körperabschnitt (201), der eine innere Oberfläche (205) und eine äußere Oberfläche (203) aufweist, wobei die innere Oberfläche (205) einen inneren Bereich definiert, und wenigstens eine Kühleinrichtung, die innerhalb des inneren Bereichs positioniert ist. Der Körperabschnitt (201) enthält ein erstes Material (501), und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material (502), wobei das zweite Material (502) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material (501) aufweist. Das Verfahren enthält ein Herstellen eines Körperabschnitts (201) mittels einer additiven Fertigungstechnik und Herstellen wenigstens einer Kühleinrichtung durch die additive Fertigungstechnik. Der Körperabschnitt (201) enthält ein erstes Material (501), und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material (502), wobei das zweite Material (502) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material (501) aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand und ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen gekühlten Gegenstand und ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Gegenstands.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Turbinensysteme werden laufend modifiziert, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und Kosten zu verringern. Ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines Turbinensystems umfasst eine Erhöhung der Betriebstemperatur des Turbinensystems. Um die Temperatur zu steigern, muss das Turbinensystem aus Materialien konstruiert werden, die während eines fortdauernden Einsatzes derartigen Temperaturen standhalten können.
Ein übliches Verfahren zur Erhöhung einer Temperaturbeständigkeit einer Turbinenkomponente umfasst den Einsatz von Kühleinrichtungen. Die Kühleinrichtungen sind häufig aus Metallen und Legierungen ausgebildet, die in Hochtemperaturbereichen von Gasturbinen verwendet werden. Gewöhnlich werden die Kühleinrichtungen während der Herstellung an oder innerhalb der Komponente gegossen. Kühleinrichtungen können auch durch maschinelle Bearbeitung der Komponente nach der Herstellung erzeugt werden. Jedoch ist es schwierig, komplexe Kühleinrichtungen durch Gießen und/oder maschinelle Bearbeitung der Komponente zu formen.
Außerdem enthalten die Kühleinrichtungen, die durch Gießen und/oder maschinelle Bearbeitung der Komponente erzeugt werden, im Allgemeinen das gleiche Material wie die Komponente. Obwohl diese Materialien in der Lage sind, den Betriebstemperaturen des Turbinensystems standzuhalten, weisen sie auch die gleiche Wärmeleitfähigkeit wie die Komponente auf. Da die Materialien, die Gasturbinenbetriebstemperaturen standhalten, häufig eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, gilt dies folglich auch für die daraus gebildeten Kühleinrichtungen. Demgemäß umfassen derzeitige Verfahren zur Kühlung von Komponenten gewöhnlich ein Führen einer erhöhten Menge eines Kühlfluids über die Kühleinrichtungen, die eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit haben, was den Betriebswirkungsgrad des Systems verringert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt enthält ein Gegenstand einen Körperabschnitt mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche einen inneren Bereich definiert, und wenigstens eine Kühleinrichtung, die innerhalb des inneren Bereichs positioniert ist. Der Körperabschnitt enthält ein erstes Material, und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material, wobei das zweite Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Material.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zuvor erwähnten Gegenstands kann die Kühleinrichtung sowohl das erste Material als auch das zweite Material enthalten.
In der zuvor erwähnten bevorzugten Ausführungsform kann das zweite Material der Kühleinrichtung das erste Material der Kühleinrichtung wenigstens teilweise bedecken.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das zweite Material eine wärmeleitende Oberfläche über dem ersten Material der Kühleinrichtung bilden.
Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann das erste Material einen proximalen Abschnitt der Kühleinrichtung bilden, der sich von der inneren Oberfläche aus erstreckt, und das zweite Material kann einen distalen Abschnitt der Kühleinrichtung bilden, der sich von dem proximalen Abschnitt aus erstreckt.
Noch weiter zusätzlich oder als eine noch weitere Alternative können die Kühleinrichtungen einen Materialgradienten mit einer relativ erhöhten Menge des ersten Materials in der Nähe der inneren Oberfläche des Körperabschnitts und einer relativ erhöhten Menge des zweiten Materials entfernt von der inneren Oberfläche enthalten.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann die Kühleinrichtung aus dem zweiten Material bestehen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das zweite Material eine erhöhte Kühleffektivität im Vergleich zu dem ersten Material bieten.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann die wenigstens eine Kühleinrichtung mit dem Körperabschnitt eine integrale Einheit bilden.
Zusätzlich kann wenigstens entweder der Körperabschnitt und/oder die wenigstens eine Kühleinrichtung eine Mikrostruktur aus additiver Fertigung enthalten.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstand kann die wenigstens eine Kühleinrichtung aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bänken von Stiften, Turbulatoren, Erhöhungen, Rippen und Kombinationen von diesen bestehen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstand kann das zweite Material Kupfer enthalten.
In bevorzugten Anwendungen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann der Gegenstand eine Gasturbinenkomponente sein.
Insbesondere kann die Gasturbinenkomponente aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus einem Schaufelblatt, einer Laufschaufel, einer Leitschaufel, einem Deckband und Kombinationen von diesen besteht.
Der Gegenstand einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Zwischenmaterial aufweisen, das zwischen dem Körperabschnitt und der wenigstens einen Kühleinrichtung positioniert ist.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Gegenstands kann jede der wenigstens einen Kühleinrichtungen hohl sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Gegenstand einen Körperabschnitt mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche einen inneren Bereich definiert, und wenigstens eine integrale Kühleinrichtung, die sich von der inneren Oberfläche aus erstreckt. Der Körperabschnitt enthält ein erstes Material, und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material, wobei das zweite Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Material und eine erhöhte Kühleffektivität im Vergleich zu dem ersten Material bietet. Außerdem enthalten der Körperabschnitt und die wenigstens eine integrale Kühleinrichtung eine Mikrostruktur aus additiver Fertigung.
In einem weiteren Aspekt enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands ein Herstellen eines Körperabschnitts durch eine additive Fertigungstechnik und Herstellen wenigstens einer Kühleinrichtung durch die additive Fertigungstechnik. Der Körperabschnitt enthält ein erstes Material, und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material, wobei das zweite Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Material.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann die additive Fertigungstechnik aufweisen: Verteilen einer ersten Schicht eines Materials auf einen ausgewählten Bereich, wobei das Material wenigstens eines von einem ersten Material und einem zweiten Material enthält; selektives Laserschmelzen der ersten Schicht; Verteilen wenigstens einer zusätzlichen Schicht des Materials über der ersten Schicht; selektives Laserschmelzen jeder von der wenigstens einen zusätzlichen Schichten; und Formen des Gegenstands aus dem Material, wobei eine Zusammensetzung und Anordnung des Materials in jeder Schicht einem vorbestimmten Abschnitt des Gegenstands entsprechen kann.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann das Herstellen der wenigstens einen Kühleinrichtung gleichzeitig mit der Herstellung des Körperabschnitts erfolgen, wobei die wenigstens eine Kühleinrichtung mit dem Körperabschnitt integral ausgebildet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenkundig, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines Gegenstands gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 zeigt eine Schnittansicht des Gegenstands nach 1, geschnitten entlang der Linie 2-2, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
3 zeigt eine Perspektivansicht eines Abschnitts aus 2 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts aus 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung.
5 zeigt eine Schnittansicht einer Kühleinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
6 zeigt eine Schnittansicht einer Kühleinrichtung gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Offenbarung.
7 zeigt eine Schnittansicht einer Kühleinrichtung gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Offenbarung.
8 zeigt eine Schnittansicht einer Kühleinrichtung gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Offenbarung.
Wenn es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um die gleichen Teile darzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sind ein Gegenstand und ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands geschaffen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erhöhen zum Beispiel im Vergleich zu Konzepten, die ein oder mehrere der hierin offenbarten Merkmale nicht enthalten, die Kühleffizienz, sie ermöglichen eine erhöhte Kontrolle der Kühlung des Gegenstands, erhöhen die Lebensdauer des Gegenstands, ermöglichen den Einsatz von erhöhten Systemtemperaturen, erhöhen den Systemwirkungsgrad, sorgen für eine gesteigerte Kühlung des Gegenstands mit verringertem Kühlfluid, oder ergeben eine Kombination hiervon.
Bezugnehmend auf 1 enthält ein Gegenstand 100 in einer Ausführungsform eine Leitschaufel 101, die zur Verwendung in einem Heißgasfad einer Turbine eingerichtet ist. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Leitschaufel 101 einen Schaufelblattabschnitt 107, der zwischen einer ersten Endwand 103 und einer zweiten Endwand 105 positioniert ist. Der Schaufelblattabschnitt 107 ist eingerichtet und angeordnet, um eine Luftströmung durch einen Abschnitt des Heißgaspfades zu leiten, und ist eingerichtet, um ein Kühlfluid durch wenigstens eine von der ersten Endwand 103 und der zweiten Endwand 105 aufzunehmen. Obwohl er hierin in Bezug auf eine Leitschaufel beschrieben ist, ist der Gegenstand 100, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, nicht darauf beschränkt, und er kann einen beliebigen anderen geeigneten Gegenstand zur Aufnahme eines Kühlfluides, wie zum Beispiel eine hohle Komponente, eine Heißgasport-Komponente, eine Schaufel, eine Laufschaufel, ein Schaufelblatt, ein Deckband, ein Leitblech, eine Schaufelplattform, Leitschaufelseitenwände, Brennkammern oder eine Kombination von diesen enthalten.
Wie in 2 veranschaulicht, die einen Querschnitt des Schaufelblattabschnitts 107 zeigt, enthält der Gegenstand 100 einen Körperabschnitt 201, der eine äußere Oberfläche 203, eine innere Oberfläche 205, die einen inneren Bereich 207 definiert, und eine oder mehrere darin ausgebildete Kühleinrichtungen 209 aufweist. Zu geeigneten Kühleinrichtungen gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Turbulatoren 211, Stifte 213, Erhöhungen 215, Vertiefungen, Rippen, eine Öffnung oder eine Kombination von diesen. Die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 sind in einer beliebigen geeigneten Ausrichtung innerhalb des inneren Bereichs 207, wie beispielsweise auf der inneren Oberfläche 205 und/oder sich von der inneren Oberfläche 205 aus erstreckend, auf einer Zwischenschicht über der inneren Oberfläche 205 und/oder sich von einer Zwischenschicht über der inneren Oberfläche 205 aus erstreckend, auf einer Komponente, die innerhalb des inneren Bereiches 207 positioniert ist, und/oder sich von einer Komponente, die innerhalb des inneren Bereichs 207 positioniert ist, aus erstreckend, in einer beliebigen sonstigen Orientierung, die sich zur konduktiven Kühlung eignet, oder in einer Kombination von diesen, positioniert.
In einer Ausführungsform, wie in den 2–4 veranschaulicht, enthält die eine oder enthalten die mehreren Kühleinrichtungen 209 mehrere Erhöhungen 215, die an der inneren Oberfläche 205 des Gegenstands 100 positioniert sind, wobei die mehreren Erhöhungen 215 von der inneren Oberfläche 205 aus in den inneren Bereich 207 hineinragen. Die Erhöhungen 215 sind in einer beliebigen geeigneten Anordnung positioniert und enthalten eine beliebige geeignete geometrische Konfiguration, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eine fluchtend ausgerichtete (2–3), versetzte (4), gleichmäßig beabstandete, unterschiedlich beabstandete, kreisförmige, teilkreisförmige, quadratische, unregelmäßige oder eine Kombination von diesen. In einer weiteren Ausführungsform enthält die eine oder enthalten die mehreren Kühleinrichtungen 209 Turbulatoren 211, die sich entlang der inneren Oberfläche 205 des Körperabschnitts 201 in einer beliebigen geeigneten Konfiguration, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, in Radialrichtung (2–3), in horizontaler Richtung (4), unter einem Winkel zwischen 0 und 180° relativ zu der radialen Richtung (4) oder in einer Kombination von diesen, erstrecken. Außerdem können die Turbulatoren 211 entlang der Länge der inneren Oberfläche 205 kontinuierlich oder ab und zu unterbrochen sein. In einer weiteren Ausführungsform enthält die eine oder enthalten die mehreren Kühleinrichtungen 209 Stifte 213 (2 und 4) mit einer beliebigen geeigneten Geometrie und/oder Ausrichtung, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, rund, länglich, oval, rennbahnförmig, quadratisch, unregelmäßig oder mit einer Kombination von diesen. Die Stifte 213 erstrecken sich vollständig oder teilweise quer durch den inneren Bereich 207 (2) und können in einer Linie oder versetzt relativ zueinander (4) angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen sind mehrere der Stifte 213 positioniert, um eine oder mehrere Bänke von Stiften zu bilden, wie in 2 veranschaulicht. Obwohl sie in Form einer Stiftebank in 2 veranschaulicht sind, sind die Stifte 213, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, nicht auf Anordnungen von Stiftebänken beschränkt, und sie können eine beliebige sonstige Anordnung, Ausrichtung oder Kombination hiervon enthalten.
Die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 sind integral mit dem Körperabschnitt 201 ausgebildet und/oder gesondert von dem Körperabschnitt 201 erzeugt und anschließend an diesem gesichert. Wenn sie gesondert erzeugt werden, können die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 unmittelbar an der inneren Oberfläche 205 gesichert werden, oder sie können auf einer Zwischenschicht erzeugt werden, die an der inneren Oberfläche 205 gesichert wird. In einer weiteren ausführungsform enthält/enthalten der Körperabschnitt 201 und/oder die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 ein additiv strukturiertes Material, das durch eine additive Fertigungstechnik geformt wird. Zu geeigneten additiven Herstellungstechniken gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, direktes Metalllaserschmelzen (DMLM, direct metal laser melting), direktes Metalllasersintern (DMLS, direct metal laser sintering), selektives Laserschmelzen (SLM, selective laser melting), selektives Lasersintern (SLS, selective laser sintering), Elektronenstrahlschmelzen (EBM, electron beam melting, Schmelzschichtung (FDM, fused deposition modeling), Pulverstrahl-Binder-Verarbeitung, eine beliebige sonstige additive Herstellungstechnik oder eine Kombination von diesen.
Zum Beispiel enthält die DMLM-Technik ein Verteilen einer ersten Schicht eines Materials auf einen ausgewählten Bereich, selektives Laserschmelzen der ersten Schicht, Verteilen wenigstens einer zusätzlichen Schicht des Materials über der ersten Schicht und selektives Laserschmelzen jeder der wenigstens einen zusätzlichen Schichten. Das selektive Laserschmelzen der ersten Schicht und der wenigstens einen zusätzlichen Schicht formt den Körperabschnitt 201 und/oder die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209, wobei die Zusammensetzung und/oder Anordnung des Materials innerhalb dieser Schicht zu der entsprechenden Zusammensetzung innerhalb des Gegenstands 100 führt. In einer Ausführungsform ist das Material verdüstes Pulver in einer weiteren Ausführungsform wird das DMLM in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Alternativ enthält das FDM ein Zuführen eines Materials zu einer Düse, Erwärmen der Düse und Extrudieren des Materials durch die Düse. Das Erwärmen der Düse schmilzt das Material auf, während das Material durch die Düse hindurchtritt. Bei der Extrusion des Materials durch die Düse härtet das Material aus, wobei es den Körperabschnitt 201 und/oder die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 ausbildet.
In einem weiteren Beispiel enthält das Pulverstrahl-Binder-Verarbeiten ein selektives Aufbringen eines flüssigen Bindemittels, um gezielt Pulverpartikel innerhalb eines Abschnitts einer Pulverschicht zu verbinden, anschließendes Hinzufügen einer oder mehrerer zusätzlicher Pulverschichten und selektives Aufbringen des flüssigen Bindemittels über jede der zusätzlichen Pulverschichten. Das selektive Aufbringen des flüssigen Bindemittels über jede der zusätzlichen Pulverschichten verbindet selektiv die Pulverpartikel innerhalb eines Teils der Pulverschicht und/oder zwischen den Pulverschichten, wobei der Gegenstand 100 gebildet wird. Das flüssige Bindemittel verbindet die Pulverpartikel ohne die Zugabe von Wärme während des Aufbauprozesses und/oder ohne eine Bauplatte. Nach der Verbindung der Pulverpartikel und/oder Schichten während des Aufbauprozesses kann der Gegenstand 100 einer Verarbeitung, einschließlich Härten, Sintern, Infiltrieren und/oder isostatischem Pressen, unterzogen werden. Das Verarbeiten verfestigt den Gegenstand 100 und/oder erhöht eine Dichte des Gegenstands 100 nach dem Aufbauprozess.
Jede der additiven Fertigungstechniken bildet eine endkonturnahe Struktur. In dem hierin verwendeten Sinne bedeutet „endkonturnahe Gestalt“, dass der Körperabschnitt 201 und/oder die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 sehr nah an der endgültigen Gestalt ausgebildet sind, so dass wesentliche herkömmliche mechanische Finishing-Verfahren, wie beispielsweise maschinelle Bearbeitung oder Schleifen, nach der additiven Fertigung nicht erforderlich sind. Die endkonturnahe Gestalt der einen oder mehreren Kühleinrichtungen 209 kann gleichförmig, im Wesentlichen gleichförmig oder abwechslungsreich sein und enthält eine beliebige geeignete Querschnittsgestalt. Außerdem kann die Querschnittsgestalt jeder der einen oder mehreren Kühleinrichtungen 209 gleich, im Wesentlichen gleich sein oder sich von der Querschnittsgestalt wenigstens einer anderen Kühleinrichtung 209 innerhalb des inneren Bereiches 207 unterscheiden. Obwohl sie allgemein als gleichförmige oder im Wesentlichen gleichförmige schaft- oder stabförmige Erhöhungen 213 veranschaulicht sind, sind die Kühleinrichtungen 209, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, nicht darauf beschränkt, und sie können eine quadratische, dreieckige, achteckige, runde, kreisförmige, teilkreisförmige, zylindrische, konische, sanduhrförmige, parabelförmige, hohle oder beliebige sonstige geometrische Gestalt oder eine Kombination von diesen enthalten.
Bezugnehmend auf die 5–8 ist der Körperabschnitt 201 aus einem ersten Material 501 ausgebildet, und jede der einen oder mehreren Kühleinrichtungen 209 enthält ein zweites Material 502. In einer Ausführungsform, wie sie in 5 veranschaulicht ist, sind die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 vollständig aus dem zweiten Material 502 ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform können die Kühleinrichtungen 209 massiv 510, hohl 520 sein, oder der Gegenstand 100 kann eine Kombination hiervon enthalten. Zusätzlich oder alternativ enthalten die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209, wie in den 6–8 veranschaulicht, eine Kombination von Materialien, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein bi-metallisches Material, das das erste Material 501 und das zweite Material 502 enthält. Bezugnehmend auf 6 enthält die Kühleinrichtung 209 in einer Ausführungsform beispielsweise eine Schicht aus dem zweiten Material 502, die auf dem ersten Material 501 angeordnet ist. Bezugnehmend auf 7 geht die Zusammensetzung der Kühleinrichtung 209 in einer weiteren Ausführungsform von dem ersten Material 501 zu dem zweiten Material 502 über, während sich die Kühleinrichtung 209 von der inneren Oberfläche 205 weg erstreckt. Bezugnehmend auf 8 ist in einer weiteren Ausführungsform ein Zwischenmaterial 801 zwischen der Kühleinrichtung 209 und dem Körperabschnitt 201 positioniert, wobei das Zwischenmaterial 801 das gleiche wie, im Wesentlichen das gleiche wie oder anders als das erste Material 501 und/oder das zweiter Material 502 ist. In manchen Ausführungsformen unterstützt das Zwischenmaterial 801 ein Sichern der Kühleinrichtung 209 an dem Körperabschnitt 201 z.B. durch Bereitstellung einer Lötpaste oder -folie zwischen einer gesondert erzeugten Kühleinrichtung 209 und dem Körperabschnitt 201. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt wird, sind die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 nicht auf die obigen Beispiele beschränkt, und sie können eine beliebige sonstige Kombination von Materialien, wie bspw. Gradienten von Zusammensetzungen, andere Übergangskonfigurationen, Teilüberzüge oder eine Kombination von diesen enthalten.
Das erste Material 501 enthält ein beliebiges Material mit geeigneten Festigkeits-, Oxidations- und Kriecheigenschaften für einen fortgesetzten Einsatz in dem Heißgaspfad eines Turbinensystems, wie bspw., jedoch nicht darauf beschränkt, Gamma-Strich-Superlegierungen, nickelbasierte Superlegierungen, kobaltbasierte Superlegierungen, andere geeignete Superlegierungen, rostfreien Stahl oder eine Kombination von diesen. Geeignete Zusammensetzungen für das erste Material 501 enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Legierung, wie bspw. eine Gamma-Strich-Superlegierung oder rostfreien Stahl. In einer Ausführungsform enthält die Gamma-Strich-Superlegierung z.B. eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 9,75% Chrom, etwa 7,5% Kobalt, etwa 4,2% Aluminium, etwa 3,5% Titan, etwa 1,5% Molybdän, etwa 6,0% Wolfram, etwa 4,8% Tantal, etwa 0,5% Niob, etwa 0,15% Hafnium, etwa 0,05% Kohlenstoff, etwa 0,004% Bor und einen Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen. In einem weiteren Beispiel enthält die Gamma-Strich-Superlegierung eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 7,5% Kobalt, etwa 7,0% Chrom, etwa 6,5% Tantal, etwa 6,2% Aluminium, etwa 5,0% Wolfram, etwa 3,0% Rhenium, etwa 1,5% Molybden, etwa 0,15% Hafnium, etwa 0,05% Kohlenstoff, etwa 0,004% Bor, zwischen etwa 0,002% und etwa 0,03% Yttrium und einen Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen. In einem weiteren Beispiel enthält die Gamma-Strich-Superlegierung eine Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von zwischen etwa 8,0% und etwa 8,7% Chrom, zwischen etwa 9% und etwa 10% Kobalt, zwischen etwa 5,25% und etwa 5,75% Aluminium, bis zu etwa 0,9% Titan (z.B. zwischen etwa 0,6% und etwa 0,9%), zwischen etwa 9,3% und etwa 9,7% Wolfram, bis zu etwa 0,6% Molybdän (z.B. zwischen etwa 0,4% und etwa 0,6%), zwischen etwa 2,8% und etwa 3,3% Tantal, zwischen etwa 1,3% und etwa 1,7% Hafnium, bis zu etwa 0,1% Kohlenstoff (z.B. zwischen etwa 0,07% und etwa 0,1%), bis zu etwa 0,02% Zirkonium (z.B. zwischen etwa 0,005% und etwa 0,02%), bis zu etwa 0,02% Bor (z.B. zwischen etwa 0,01% und etwa 0,02%), bis zu etwa 0,2% Eisen, bis zu etwa 0,12% Silizium, bis zu etwa 0,1% Mangan, bis zu etwa 0,1% Kupfer, bis zu etwa 0,01% Phosphor, bis zu etwa 0,004% Schwefel, bis zu etwa 0,1% Niob und einen Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen.
Das zweite Material 502 enthält ein beliebiges Material, das eine größere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu dem ersten Material 501 aufweist. Ein geeignetes Material für das zweite Material 502 enthält Kupfer. Andere geeignete Materialien für das zweite Material 502 umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Aluminium, Silber, Nickellegierungen, Kupferlegierungen, andere Legierungen mit einer Wärmeleitfähigkeit, die grö0ßer ist als die des ersten Materials 501, oder eine Kombination von diesen. Wenn es dem inneren Bereich 207 ausgesetzt ist, bildet das zweite Material 502 eine wärmeleitende Oberfläche aus, die eine erhöhte Wärmeübertragung und/oder Kühlung des Gegenstands 100 ermöglicht. Wenn das Kühlfluid den inneren Bereich 207 des Gegenstandes 100 durchströmt, steigert die erhöhte Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials 502 insbesondere die Kühlung des Körperabschnitts 201 im Vergleich zu Kühleinrichtungen 209, die aus dem ersten Material 501 ausgebildet sind. Zusätzlich erzielen die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209, die das zweite Material 502 enthalten, im Vergleich zu herkömmlichen Kühleinrichtungen 209, die aus dem ersten Material ausgebildet sind, eine erhöhte Kühleffektivität, sie steigern die Systemleistung oder ergeben eine Kombination hiervon. Außerdem ermöglichen die Kühleinrichtungen 209, die das zweite Material 502 enthalten, durch Steigerung der Kühleffizienz und/oder -effektivität eine Kühlung des Gegenstandes 100 mit einem verringerten Kühlfluss, was den Betriebswirkungsgrad des Systems erhöht.
Obwohl die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials 502 relativ größer ist als die des ersten Materials 501 kann/können der Wärmewiderstand und/oder die mechanische Festigkeit des zweiten Materials 502 gleich, im Wesentlichen gleich wie oder anders als derjenige/diejenige des ersten Materials 501 sein. Zum Beispiel umgibt der Körperabschnitt 201 in manchen Ausführungsformen die eine oder mehreren Kühleinrichtungen 209 vollständig, wodurch die Beaufschlagung des zweiten Materials 502 mit den thermischen und/oder mechanischen Beanspruchungen durch die den Gegenstand 100 umgebende Betriebsumgebung verringert wird. Die verringerte Beaufschlagung des zweiten Materials 502 mit den thermischen und/oder mechanischen Beanspruchungen der Betriebsumgebung ermöglicht den Einsatz von Materialien, die eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit mit verringertem Wärmewiderstand und/oder verringerter mechanischer Festigkeit im Vergleich zu dem ersten Material 501 des Körperabschnitts 201 aufweisen.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben ist, wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente durch ihre äquivalenten Mittel ersetzt werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Folglich steht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform, die als die beste zur Ausführung dieser Erfindung vorgesehene Art offenbart ist, beschränkt sein soll, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Außerdem sollen alle numerischen Werte, die in der detaillierten Beschreibung angegeben sind, so interpretiert werden, als wären sowohl die genauen Werte als auch die Näherungswerte ausdrücklich angegeben.
Es sind ein Gegenstand 100 und ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands 100 geschaffen. Der Gegenstand 100 enthält einen Körperabschnitt 201, der eine innere Oberfläche 205 und eine äußere Oberfläche 203 aufweist, wobei die innere Oberfläche 205 einen inneren Bereich definiert, und wenigstens eine Kühleinrichtung, die innerhalb des inneren Bereichs positioniert ist. Der Körperabschnitt 201 enthält ein erstes Material 501, und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material 502, wobei das zweite Material 502 eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material 501 aufweist. Das Verfahren enthält ein Herstellen eines Körperabschnitts 201 mittels einer additiven Fertigungstechnik und Herstellen wenigstens einer Kühleinrichtung durch die additive Fertigungstechnik. Der Körperabschnitt 201 enthält ein erstes Material 501, und die wenigstens eine Kühleinrichtung enthält ein zweites Material 502, wobei das zweite Material 502 eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material 501 aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Gegenstand
101: Leitschaufel
103: Erste Endwand
105: Zweite Endwand
107: Schaufelblattabschnitt
201: Körperabschnitt
203: Äußere Oberfläche
205: Innere Oberfläche
207: Innerer Bereich
209: Kühleinrichtungen
211: Turbulatoren
213: Stifte
215: Erhöhungen
501: Erstes Material
502: Zweites Material
510: Fest[körper]
520: Hohl[körper]
801: Zwischenmaterial

Claims

Gegenstand (100), der aufweist: einen Körperabschnitt (201), der eine innere Oberfläche (205) und eine äußere Oberfläche (203) aufweist, wobei die innere Oberfläche (205) einen inneren Bereich definiert; und wenigstens eine Kühleinrichtung, die in dem inneren Bereich positioniert ist; wobei der Körperabschnitt (201) ein erstes Material (501) enthält, und die wenigstens eine Kühleinrichtung ein zweites Material (502) enthält, wobei das zweite Material (502) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Material (501).
Gegenstand (100) nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung sowohl das erste Material (501) als auch das zweite Material (502) enthält.
Gegenstand (100) nach Anspruch 2, wobei das zweite Material (502) der Kühleinrichtung das erste Material (501) der Kühleinrichtung wenigstens teilweise bedeckt; und/oder wobei das zweite Material (502) eine wärmeleitende Oberfläche über dem ersten Material (501) der Kühleinrichtung bildet.
Gegenstand (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Material (501) einen proximalen Abschnitt der Kühleinrichtung bildet, der sich von der inneren Oberfläche (205) aus erstreckt, und das zweite Material (502) einen distalen Abschnitt der Kühleinrichtung bildet, der sich von dem proximalen Abschnitt aus erstreckt; und/oder wobei die Kühleinrichtung (209) einen Materialgradienten mit einer relativ erhöhten Menge des ersten Materials (501) in der Nähe der inneren Oberfläche (205) des Körperabschnitts (201) und einer relativ erhöhten Menge des zweiten Materials (502) entfernt von der inneren Oberfläche (205) enthält.
Gegenstand (100) nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung aus dem zweiten Material (502) besteht.
Gegenstand (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (502) eine erhöhte Kühleffektivität im Vergleich zu dem ersten Material (501) bietet; und/oder wobei das zweite Material (502) Kupfer enthält.
Gegenstand (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Kühleinrichtung mit dem Körperabschnitt (201) eine integrale Einheit bildet; und/oder wobei wenigstens entweder der Körperabschnitt (201) und/oder die wenigstens eine Kühleinrichtung eine Mikrostruktur aus additiver Fertigung enthält.
Gegenstand (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Kühleinrichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bänken von Stiften, Turbulatoren (211), Erhöhungen (215), Rippen und Kombinationen von diesen besteht.
Gegenstand (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gegenstand (100) eine Gasturbinenkombonente ist, wobei die Gasturbinenkomponente vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Schaufelblatt, einer Laufschaufel, einer Leitschaufel (101), einem Deckband und Kombinationen von diesen besteht.
Gegenstand (100) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Zwischenmaterial (801) aufweist, das zwischen dem Körperabschnitt (201) und der wenigstens einen Kühleinrichtung positioniert ist; und/oder wobei jede der wenigstens einen Kühleinrichtungen (209) hohl (520) ist.
Gegenstand (100), der aufweist: einen Körperabschnitt (201), der eine innere Oberfläche (205) und eine äußere Oberfläche (203) aufweist, wobei die innere Oberfläche (205) einen inneren Bereich definiert; und wenigstens eine integrale Kühleinrichtung, die sich von der inneren Oberfläche (205) aus erstreckt; wobei der Körperabschnitt (201) ein erstes Material (501) enthält und die wenigstens eine Kühleinrichtung ein zweites Material (502) enthält, wobei das zweite Material (502) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Material (501); wobei der Körperabschnitt (201) und die wenigstens eine integrale Kühleinrichtung eine Mikrostruktur aus additiver Fertigung enthalten; und wobei das zweite Material (502) eine erhöhte Kühleffektivität im Vergleich zu dem ersten Material (501) bietet.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands (100), wobei das Verfahren aufweist: Herstellen eines Körperabschnitts (201) durch eine additive Fertigungstechnik; und Herstellen wenigstens einer Kühleinrichtung durch die additive Fertigungstechnik; wobei der Körperabschnitt (201) ein erstes Material (501) enthält und die wenigstens eine Kühleinrichtung ein zweites Material (502) enthält, wobei das zweite Material (502) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material (501) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die additive Fertigungstechnik aufweist: Verteilen einer ersten Schicht eines Materials auf einen ausgewählten Bereich, wobei das Material wenigstens eines von einem ersten Material (501) und einem zweiten Material (502) enthält; selektives Laserschmelzen der ersten Schicht; Verteilen wenigstens einer zusätzlichen Schicht des Materials über der ersten Schicht; selektives Laserschmelzen jeder der wenigstens einen zusätzlichen Schichten; und Formen des Gegenstands (100) aus dem Material; wobei eine Zusammensetzung und Anordnung des Materials in jeder Schicht einem vorbestimmten Abschnitt des Gegenstands (100) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Herstellung der wenigstens einen Kühleinrichtung gleichzeitig mit der Herstellung des Körperabschnitts (201) unter integraler Ausbildung der wenigstens einen Kühleinrichtung mit dem Körperabschnitt (201) erfolgt.