DE10235492A1 - Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns beschrieben, bei dem der Kern auf ein Setzglied gesetzt wird, mindestens ein flexibler feuerfester Beutel, der feuerfeste Teilchen enthält, auf den Kern gesetzt wird, um eine Kraft auf den Kern in Richtung gegen das Setzglied auszuüben, und der Kern auf eine überatmosphärische Brenntemperatur erwärmt wird. Bei Erwärmen des keramischen Kerns mit dem darauf liegenden Beutel wird der Kern an die Oberfläche des Setzgliedes angepasst, um Verformungen des Kerns zu vermeiden oder zumindest zu verringern.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns, der beim Gießen geschmolzener metallischer Materialien Verwendung findet.
• Viele Hersteller von Gasturbinentriebwerken untersuchen und entwickeln im Genauguss hergestellte Turbinenschaufeln (Lauf und Leitschaufeln), die komplizierte Luft-Kühlkanäle enthalten, um die Kühlung der Schaufeln zu verbessern und dadurch den Wirkungsgrad wie auch die Lebensdauer des Gasturbinentriebwerks zu erhöhen. Innere Kühlkanäle in den gegossenen Schaufeln werden unter Verwendung eines oder mehrerer dünner keramischer Kerne hergestellt, die in einer keramischen Form angeordnet werden, in die dann das geschmolzene Metall um den Kern herum eingebracht wird. Nachdem das geschmolzene Metall erstarrt ist, werden die Form und der Kern entfernt, so dass die gegossene Schaufel mit einem oder mehreren Kanälen zurückbleibt.
• Der keramische Kern wird typischerweise unter Verwendung einer plastifizierten keramischen Verbindung hergestellt, die keramisches Pulver, Bindemittel und verschiedene Zusätze enthält. Die keramische Verbindung wird durch Spritzgießen, Transfergießen oder einfaches Gießen in die Gießform eingebracht. Wenn der grüne (ungebrannte) Kern aus der Form entfernt wird, wird er typischerweise zwischen einem oberen und unteren Setzglied angeordnet, damit er auf Umgebungstemperatur abkühlt, ehe er fertig bearbeitet und bei einer Sintertemperatur gebrannt wird. Der grüne keramische Kern wird bei einer (überatmosphärischen) Temperatur in einem oder mehreren Schritten gebrannt, um ihn zu sintern und zu verfestigen, damit er beim Gießen metallischer Materialien wie z. B. einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis verwenden zu können. Die US 5 014 763 offenbart einen grünen keramischen Kern, der während des Brennvorgangs zwischen einem oberen und unteren Setzglied angeordnet ist.
• Der grüne Kern kann Verformungen aufgrund von Spannungen erfahren, die in dem Kern bei den Gieß- und/oder Kühlvorgängen induziert werden. Dieses Problem tritt insbesondere im Bereich der Hinterkante des schaufelflügelförmigen Kerns auf, an der der Querschnitt des Kerns sehr dünn ist. Die Folge ist, dass die grünen keramischen Kerne unterschiedliche Abmessungen von einem Kern zum anderen in einer Produktionsserie haben können. Derartige Dimensionsschwankungen können auch daher rühren, dass der grüne Kern keinen einwandfreien Kontakt zu dem oberen und/oder unteren Setzglied hat.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns anzugeben, bei dem Abmessungsschwankungen zwischen den Kernen vermieden werden und der Kern innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen bleibt.
• Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ungebrannter (grüner) oder vorher gebrannter keramischer Kern mit einer Gusskernform auf ein Setzglied (setter) gesetzt, mindestens ein flexibler feuerfester Beutel, der feuerfeste Teilchen enthält, auf den keramischen Kern gesetzt, um eine Kraft auf den Kern in Richtung auf das Setzglied während des Brennvorganges auszuüben, und dann der keramische Kern auf dem Setzglied auf eine Brenntemperatur erwärmt, um den Kern zu sintern und zu festigen, damit er beim Gießen eines metallischen Materials verwendet werden kann. Das Erwärmen des keramischen Kerns mit dem darauf liegenden Gewicht des flexiblen Beutels bzw. der flexiblen Beutel hilft dabei mit, den Kern an einer Oberfläche des Setzgliedes anzupassen, um Verformungen des Kerns zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren und um Kerne innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen zu erhalten. Vorzugsweise werden mehrere der Beutel vorgegebenen Gewichts auf den Kern in Ausrichtungen und an Stellen gelegt, die sich als wirksam erwiesen haben, um Abmessungsschwankungen des Kerns zu reduzieren. Der Kern kann gemäß der vorliegenden Erfindung im ungebrannten (grünen) Zustand oder im gebrannten Zustand verarbeitet werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der flexible Beutel aus einem textilen Flächengebilde aus Keramikfasern, das keramischen Bruch (z. B. keramische Teilchen) enthält. Der Beutel verhindert ein Ausbreiten der Teilchen während des Brennvorganges und unterbindet eine chemische Reaktion zwischen den Teilchen und dem Kern. Der Beutel kann die Form eines Schlauches mit entgegengesetzten Enden haben, die nach dem Füllen des Schlauches mit dem Bruch durch einen entsprechenden metallischen Draht oder eine keramische Schnur oder ein anderes faden- oder bandförmiges Bindemittel verschlossen werden, das die Brenntemperatur aushalten kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft einsetzbar beim Brennen eines relativ großen keramischen Kerns, der einen Schaufelflügelbereich hat, bei dem die Gefahr von Verformungen besteht. Beispielsweise ist die Erfindung verwendbar zum Brennen keramischer Kerne, wie sie beim Genauguss (Maskenguss) von Schaufelflügeln (z. B. Turbinenschaufeln) von Gasturbinentriebwerken verwendet werden.
• Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines typischen keramischen Kerns, der sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren brennen lässt;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Kerns, der auf einem unteren Setzglied angeordnet ist, wobei mehrere flexible Beutel auf dem Kern liegen (die in Fig. 1 gezeigten Schlitze und Öffnungen sind der Einfachheit halber in Fig. 2 weggelassen);
• Fig. 3 eine Schnittansicht des Kerns auf dem Setzglied der Fig. 2.
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellen keramischer Kerne beschrieben, die durch herkömmliches Kerngießen, Spritzgießen, Transfergießen oder andere Kernformtechniken gefertigt wurden, bei denen eine plastifizierte keramische Verbindung in eine Kernform eingebracht wird. Beim herkömmlichen Kerngießen werden ein oder mehrere keramische Pulver (z. B. Aluminiumoxid-, Siliziumoxid-, Zirkon- und/oder Zirkonoxid-Pulver), ein flüssiges Bindemittel wie z. B. ein katalytisch gehärtetes Äthylsilikat-Flüssigbindemittel und weitere Zusätze gemischt werden, das Gemisch in eine Form gegossen wird und Druck aufgebracht wird, bis das Bindemittel aushärtet/erstarrt, worauf der grüne Kern aus der Kernform entfernt wird. Der grüne Kern wird dann einer Flammenbehandlung unterzogen, bei der der grüne Kern mit einer Alkoholflamme bearbeitet wird, um die Festigkeit des grünen Kerns zu erhöhen, ehe er einer Hochtemperatur- Sinterbehandlung (Brennbehandlung) unterzogen wird, um den Kern zu sintern und zu verfestigen, damit er beim Gießen metallischer Materialien wie z. B. einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis Verwendung finden kann. Ein spritzgegossener oder transfergegossener keramischer Kern wird in der Weise hergestellt, dass eine keramische Verbindung aus einem oder mehreren keramischen Pulvern (z. B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkon- und/oder Zirkoniumoxid), ein organisches Bindemittel (z. B. ein thermisch aushärtendes Material, ein thermoplastisches oder vernetzbares thermoplastisches Material bzw. Gemische derselben) und verschiedene Zusätze bei hohen Temperaturen in eine Form eingespritzt wird, um den grünen Kern zu bilden. Die speziellen keramischen Pulver, organischen Bindemittelzusätze zum Herstellen des Kerns können herkömmliche Materialien sein und bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Ein ungefeuerter (grüner) keramischer Kern kann gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Außerdem kann ein vorher gebrannter keramischer Kern gemäß der Erfindung behandelt werden. Wenn beispielsweise ein gegossener keramischer Kern zwei oder mehr Brennvorgängen ausgesetzt wird, können einige oder alle der Brennvorgänge gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der flexiblen feuerfesten Beutel ausgeführt werden.
• Die Erfindung wird ferner im folgenden anhand der Herstellung keramischer Kerne zur Verwendung beim Genauguss (Formgießen) von Gasturbinenschaufeln (Lauf und Leitschaufeln) beschrieben. Derartige Schaufeln werden unter Verwendung von Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis im Maskenguss hergestellt und haben eine gleichachsige Kornmikrostruktur oder eine gerichtete Erstarrungsmikrostruktur mit Kornsäulen oder Einzelkristallen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar zur Herstellung relativ großer keramischer Kerne zur Verwendung beim Maskengießen von Turbinenschaufeln von stationären Gasturbinentriebwerken, bei denen die Kerne eine Länge von mehr als 152 mm (6 inch), beispielsweise im Bereich von 15,2 bis 106,7 cm (42 inch) oder auch mehr, haben.
• Es wird nun auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Der dort dargestellte grüne (ungebrannt) keramische Kern 10, der aus einer Kernform (nicht gezeigt) entfernt wurde, dient zum Gießen einer Turbinenschaufel aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis. Der Kern 10 hat einen Schaufelfussbereich 12 und einen Schaufelflügelbereich 14. Der Schaufelflügelbereich 14 hat eine Vorderkante 16 und eine Hinterkante 18 eines sehr dünnen Querschnitts. Öffnungen 21a und/oder Schlitze 21b unterschiedlicher Form und Größe sind in dem Kern 10 vorgesehen, um längliche Wände, runde Vorsprünge und andere Strukturen im Inneren der gegossenen Turbinenschaufel zu bilden. Der Kern 10 hat eine konvexe Seite S1 und eine gegenüberliegende konkave Seite S2. Die Seiten S1, S2 haben typischerweise komplizierte Oberflächenformen wie z. B. Rippen, Vorsprünge, Strömungshindernisse usw. Die Hinterkante 18 verjüngt sich zu einer sehr dünnen Kante, die dazu neigt, sich zu verwölben bzw. zu verformen.
• Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, ist der Kern 10 auf einer nach oben gerichteten Aufnahmefläche 20a eines starren unteren Setzgliedes (setter) 20 angeordnet. Der grüne Kern 10 kann auf das Setzglied 20 gesetzt werden, wenn er noch eine relativ hohe Temperatur von z. B. 32 bis 149°C (90 bis 300°F) hat, nachdem er aus der Kernform entfernt wurde oder wenn er bereits auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Statt eines grünen Kerns kann es sich um einen Kern handeln, der bereits vorher als Teil eines mehrstufigen Brennverfahrens gebrannt wurde, wie dies beispielsweise bei gegossenen keramischen Kernen der Fall ist.
• Das starre Setzglied 20 kann aus Metall, Kunststoff (z. B. REN der Firma Ciba Geigy), Keramik oder einem anderen relativ starren/steifen Material bestehen. Die Aufnahmefläche 20a des Setzgliedes 20 hat ein vorgegebenes Profil bzw. eine vorgegebene Kontur, an die sich die Seite S1 des Kerns 10 anpassen kann. Beispielsweise hat die Aufnahmefläche 20a, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, eine vorgegebene Schaufelflügelkontur, um den Schaufelflügelbereich 14 des Kerns 10 aufzunehmen. Die Aufnahmefläche 20a des Setzgliedes 20 hat typischerweise eine flache Kontur in dem sinne, dass die Fläche keine Oberflächenvorsprünge- bzw. vertiefungen wie Strömungsleitflächen und Hindernisse und dergl. hat, wie sie an dem Schaufelflügelbereich 14 des Kerns 10 vorhanden sein können.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden zum Brennen eines Kerns 10 auf Siliziumoxidbasis ein oder mehrere flexible, feuerfeste, als Gewichte dienende Beutel 30, die feuerfeste Teilchen 32 enthalten, auf die nach oben gerichtete Seite S2 des Kerns 10 gelegt, um eine einigermaßen gleichförmig verteilte Kraft (aufgrund des Gewichtes) auf den Kern 10 in Richtung auf die Aufnahmefläche 20a während des Brennvorganges auszuüben, um dafür zu sorgen, dass die Seite S1 des Kerns 10 an die Aufnahmefläche 20a während des Brennvorganges in einem Temperaturbereich von beispielsweise 871 bis 1149°C (1600 bis 2100°F) angepasst bleibt. Jeder Beutel 10 ist so flexibel, dass sich der Beutel an die Oberseite des Kerns 10 anpassen kann, um dadurch eine durch das Eigengewicht hervorgerufene Kraft auf den Kern auszuüben, während gleichzeitig Gase aus dem Kernmaterial durch den Beutel 30 strömen können. Die Beutel 30 können jeweils aus einem textilen Flächengebilde, insbesondere einem Gewebe aus Keramikfasern (z. B. Silizium- oder Aluminiumoxid-Fasern) bestehen, wie er als "Kaotex" von der Firma Thermal Ceramics, Augusta, Georgia) erhältlich ist. Ein ebener Bogen des keramischen Fasergebildes wird auf sich selbst gefaltet, und die aneinander anliegenden gefalteten Ränder werden dann unter Verwendung von Fasern aus Siliziumoxid oder Aluminiumoxid zusammengenäht, um einen schlauchförmigen Beutel 30 zu bilden. Die Erfindung ist natürlich nicht auf den speziellen Beutel aus einem keramischen Fasergebilde beschränkt, da auch andere feuerfeste oder keramische Materialien verwendet werden können, um die Beutel 30 herzustellen, die dann die keramischen Teilchen 32 bei der Brenntemperatur enthalten und während des Brennvorgangs nicht mit dem Kernmaterial reagieren.
• Beim Brennen eines Kerns 10 auf Siliziumoxidbasis bestehen die feuerfesten Teilchen 32 aus Aluminiumoxidbruch, der gesinterte Aluminiumoxidteilchen einer Maschengröße von 3 bis 6 (Maschengröße gemäß US Standard Sieve) aufweisen. Derartige Teilchen aus Aluminiumoxidbruch haben Durchmesser von ungefähr 6,35 mm (1/4 inch). Sie sind beispielsweise von der Firma Aluchem, Reading, Ohio erhältlich. Die Erfindung ist natürlich nicht auf Aluminiumoxidbruch beschränkt, da auch andere feuerfeste bzw. keramische Teilchen 32 in den Beuteln 30 enthalten sein können. Die Teilchen 32 werden so gewählt, dass sie bei der speziellen Temperatur und Dauer des Brennvorganges nicht zusammenbacken.
• Die Beutel 30 werden manuell oder maschinell mit der geeigneten Masse an Teilchen 32 gefüllt, und die offenen Enden der Beutel 30 werden unter Verwendung von Bindern 34 in Form eines metallischen Drahtes oder einer keramischen Schnur, die den Brennvorgang aushalten, zusammengebunden, um die Beutel verschlossen zu halten. Typischerweise wird ein Ende des Beutels 30 unter Verwendung eines ersten Binders 34 zusammengebunden, und dann wird der Beutel 30 durch das verbliebene offene Ende mit den Teilchen 32 gefüllt, worauf das offene Ende unter Verwendung eines zweiten Binders 34 verschlossen wird. Geeignete Binder 34 sind beispielsweise Ni-CR-Thermopaardrähte oder Platin bzw. Platinlegierungs-Thermopaardrähte, die um die entgegengesetzten Enden der Beutel 30 gebunden werden, um die Endverschlüsse zu bilden. Die Beutel 30 verhindern ein Ausbreiten der Teilchen 32 während des Brennvorganges und verhindern eine chemische Reaktion zwischen den Teilchen 32 und dem Kern 10.
• Wenngleich die Fig. 2 drei Beutel 30 zeigt, die quer und beabstandet zu der Längsachse des Kern 10 angeordnet sind, sind diese Lagen der Beutel relativ zum Kern lediglich zu Veranschaulichungszwecken gewählt worden. Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausrichtung und Lage der Beutel 30 auf dem Kern 10 für jede spezielle Kernform empirisch ermittelt, um eine möglichst gute Anpassung an die Aufnahmefläche 20 des Setzgliedes zu erzielen und dadurch Formabweichungen des Kerns von der Sollform zu vermeiden. Beispielsweise können unterschiedliche Kernformen unterschiedliche Bereiche haben, die von Hause aus nicht genau an die Form der Aufnahmefläche 20 des Setzgliedes angepasst sind, beispielsweise wegen Kernschrumpfung, Kernverformung oder anderen Gründen. Die Beutel 30 können somit quer zur Längsachse des Kerns 10, wie in Fig. 2 gezeigt, und/oder parallel zur Längsachse und/oder unter einem Winkel hierzu angeordnet werden, je nach dem speziellen Anmeldungsfall. Jeder Beutel 30 übt zu diesem Zweck eine gleichförmig verteilte Kraft auf den Kern 10 aus.
• In gleicher Weise werden die Anzahl und das Gewicht der Beutel 30 (zusätzlich zu ihrer Ausrichtung und Lage am Kern 10) für jede spezielle Kernform empirisch ermittelt. Um die Anpassung an die Aufnahmefläche 20a des Setzgliedes zu fördern und dadurch Formabweichungen des Kerns 10 von der Sollform zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Das Gewicht der Beutel 30 kann an verschiedenen Stellen des Kerns 10 zu dem gleichen Zweck unterschiedlich gewählt werden.
• Beispielsweise kann das Gewicht jedes der drei dargestellten Beutel 30 beispielsweise 680 g (1,5 pounds) betragen.
• Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der keramische Kern 10 auf dem Setzglied 20 mit den auf dem Kern 10 angeordneten Beuteln 30 in einem herkömmlichen Ofen bei einer überatmosphärischen Brenntemperatur gebrannt, um die Teilchen des keramischen Kerns zu sintern und den Kern zu verfestigen, damit er beim Gießen metallischer Materialien verwendet werden kann. Zum Brennen eines grünen keramischen Kerns auf Siliziumoxidbasis kann die maximale Brenntemperatur im Bereich von 871 bis 1149°C (1600 bis 2100°F) je nach der Kernzusammensetzung liegen. Der Brennvorgang kann in einer Luftatmosphäre im Ofen erfolgen. Der Kern 10 wird typischerweise einem herkömmlichen Brennzyklus mit einer Aufwärmstufe, einer Haltestufe bei maximaler Brenntemperatur und einer Abkühlstufe während einer Zeitdauer von mehreren Stufen bis mehreren Tagen unterzogen. Die Wärmerate bis zum Erreichen der maximalen Brenntemperatur beträgt typischerweise ungefähr 10 bis 75°C/h für einen Kern auf Siliziumoxidbasis.
• Das Brennen des keramischen Kerns 10 mit den daraufliegenden flexiblen Beuteln 30 gemäß der Erfindung fördert die Formanpassung des Kerns an die Aufnahmefläche 20a des Setzgliedes 20, um Abmessungsschwenkungen des Kerns zu verringern und einen verbesserten Ausstoß an gebrannten keramischen Kernen zu ermöglichen, deren Abmessungen innerhalb vorgegebener Abmessungstoleranzen liegen. Nach dem Brennvorgang können die Beutel 30 zum Brennen anderer Kerne 10 wiederverwendet werden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns, bei dem der Kern (10) auf ein Setzglied (20) gesetzt wird, mindestens ein flexibler feuerfester Beutel (30), der feuerfeste Teilchen (32) enthält, auf den Kern (10) gesetzt wird, um eine Kraft auf den Kern in Richtung gegen das Setzglied (20) auszuüben, und der Kern (10) auf eine überatmosphärische Brenntemperatur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beutel (30) auf den Kern (10) in unterschiedlichen Ausrichtungen zu dem Kern (10) gesetzt werden.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beutel (30) auf den Kern an unterschiedlichen Stellen des Kerns (10) gesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beutel (30) unterschiedlichen Gewichtes auf den Kern (10) gesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beutel (30) ein textiles Flächengebilde aus keramischen Fasern aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beutel (30) eine schlauchförmige Beutelkonfiguration hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Enden der schlauchförmigen Beutelkonfiguration durch einen entsprechenden Binder (34) verschlossen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (34) aus einem metallischen Draht oder einer keramischen Schnur besteht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfesten Teilchen (32) aus gesinterten Keramikteilchen bestehen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Teilchen aus Aluminiumoxidteilchen bestehen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidteilchen eine Maschengröße von 3 bis 6 haben.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Setzglied (20) eine Oberfläche mit einer Schaufelflügelkontur hat und der Kern (10) einen schaufelflügelförmigen Bereich hat, der von der betreffenden Oberfläche des Setzgliedes (20) aufgenommen wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) eine Länge hat, die größer als ungefähr 152 mm (6 inch) ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beutel (30) zum Brennen eines anderen Kerns (10) wiederverwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Kern ein ungebrannter Kern ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Kern (10) ein gebrannter Kern ist.