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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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In einem weiten Sinne betrifft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz
der Kühlung
in Hochtemperaturkomponenten oder -Bauteilen. In einigen der spezielleren
Ausführungsbeispiele
betrifft die Erfindung ein Erzeugen von Rauheit auf den Innenflächen von
Kühlungsbohrungen
von Bauteilen von Turbinen.
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Eine Reihe von Techniken stehen gegenwärtig zur
Verfügung,
um die Temperatur von Bauteilen von Turbinen unterhalb eines kritischen
Niveaus zu halten. Häufig
wird beispielsweise Kühlluft
aus dem Turbinenkompressor entlang einer oder mehrerer Bauteiloberflächen durch
das Bauteil hindurch geleitet. Weiter sind durch Turbinenschaufeln
hindurch häufig
verhältnismäßig lange
radiale Kühlungsbohrungen
ausgebildet, die als Kanäle
für die
Kühlluft dienen.
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Die radialen Kühlungsbohrungen werden häufig mittels
eines Verfahrens ausgebildet, das als Shaped Tube Electrolytic Machining
(Elektrolytisches Bearbeiten von geformten Röhren) oder "STEM-Bohren" bekannt ist. Das STEM-Verfahren stellt
ei ne elektrochemische Bearbeitungstechnik dar, die sich besonders
zum Bohren von engen Bohrungen, mit einem großen Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser eignet.
Ein sehr bedeutender Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass
es sich dazu eignet, Rauheit auf der Innenfläche der Kühlungsbohrungen zu schaffen.
Die Rauheit fördert
den Abtransport von Wärme über die
Durchlassöffnungen
erheblich. STEM-Bohren wird in vielfältigen Bezugsdokumenten erwähnt, z.B.
in den US-Patenten 5 927 946 und 5 820 744.
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Zusammenfassend ausgedrückt, verwenden STEM-Systeme
häufig
ein oder mehrere negativ geladene Titanröhren, einen Säureelektrolyten
und ein positiv geladenes Substrat oder Werkstück. Der Elektrolyt wird in
das Substrat gepumpt und löst
das Metall in dem vorgewählten
Pfad der Kühlbohrung
auf. Um innerhalb der Löcher
Rauheit zu schaffen, wird die Injektion des Elektrolyten während des
Anwachsens der Tiefe der Bohrung intermittierend unterbrochen. Dieser
intermittierende Vorgang bringt entlang der Kühlungsbohrungen Vorsprünge hervor.
Die Vorsprünge
stellen die Rauheit und Vergrößerung der Oberfläche dar,
die benötigt
wird, um die Wärmeübertragung
zur verbessern.
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Obwohl STEM-Bohren in vielen Fällen nützlich ist,
ist diese Technik auch mit einigen Nachteilen behaftet. Das Verfahren
ist beispielsweise sehr zeitraubend. wenn eine bedeutende Anzahl
von Bohrungen auszubilden sind, kann der hierzu erforderliche beträchtliche
Zeitaufwand mit hohen Herstellungskosten verbunden sein. Die benötigte Ausrüstung kann
e benfalls sehr kostspielig sein. Darüber hinaus können im
Zusammenhang mit STEM-Bohren ätzende
Rückstände auftreten,
die den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
in der Bohrung möglicherweise senken,
falls sie nicht gründlich
entfernt werden. Außerdem
erzeugt STEM-Bohren gelegentlich auf der Fläche der Durchlassöffnung ein
ungleichmäßiges Rauheitsmuster,
das sich ebenfalls nachteilig auf den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
auswirken kann.
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Somit besteht nach dem Stand der
Technik ein Bedarf nach neuen Verfahren, um in einem Bauteil auf
der Fläche
von Durchlassöffnungen
Verwirbelungsflächen
zu schaffen. Die Verfahren sollten in der Lage sein, das Verwirbelungsmaterial
an jedem beliebigen ausgewählten
Bereich der Bohrungswand zu befestigen. Darüber hinaus sollten die Verfahren
ermöglichen,
die Gestalt, die Abmessung und das Muster der gewünschten
Verwirbelungsflächen,
sowie deren Zusammensetzung zu ändern.
Die Verfahren sollte ferner mit beliebigen sonstigen Verarbeitungsprozessen,
die im Zusammenhang mit dem Bauteil zur Anwendung kommen, kompatibel
sein und sollten die Herstellungskosten für das Bauteil nicht wesentlich
steigern.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Verwirbelungsflächen auf
der Innenfläche
mindestens einer Durchlassöffnung.
Die Durchlassöffnung kann
in vielfältigen
unterschiedlichen Bauteilen angeordnet sein. Ein wichtiges Beispiel
ist ein Bauteilen angeordnet sein. Ein wichtiges Beispiel ist ein
Muster von Kühlungsbohrungen
für einen
gewissen Bereich eines Bauteils einer Turbine, z.B. radiale Kühlungsbohrungen,
die sich durch eine Turbinenschaufel hindurch erstrecken. (In dem
hier verwendeten Sinne soll der Begriff "Bohrung" vielfältige innere Bereiche oder
Hohlräume
in eines Bauteils umfassen, einschließlich Ausnehmungen und hohle
Bereiche). Das Bauteil der Turbine ist gewöhnlich aus einem auf Nickel
oder Kobalt basierenden Superlegierungswerkstoff gefertigt.
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Das Verwirbelungsmaterial wird zunächst an einem
Substrat angebracht, das sich schließlich in die Durchlassöffnung einbringen
lässt.
In vielen Ausführungsbeispielen
ist das Substrat oder der "Dorn" ein Stab oder eine
Spindel, die aus einem zu opfernden Material gefertigt ist, wie
es weiter unten beschrieben ist. (Der Stab kann massiv oder hohl
sein und wird in dem zuletzt genannten Beispiel gelegentlich auch
als eine "Röhre" bezeichnet). Das
Verwirbelungsmaterial, das häufig
eine auf Nickel oder Kobalt basierende Metalllegierung enthält, kann
in vielfältiger
Weise auf das Substrat aufgebracht werden. Beispielsweise kann das
Verwirbelungsmaterial nach Belieben in Form eines Pulvers oder als
Bestandteil eines Schlammes, einer Metallfolie oder eines Bandes
(z.B. eines grünen
Hartlotbands) aufgetragen werden.
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Nachdem das Verwirbelungsmaterial
an dem Substrat angebracht ist, lässt sich das Substrat in die Durchlassöffnung einführen. Das
Substrat wird ausreichend weit eingeführt, um das Verwirbelungsmaterial
benachbart zu einem ausgewählten Bereich
der Innenfläche
der Bohrung zu positionieren. Das Verwirbelungsmaterial wird anschließend mittels
einer Reihe von Erhitzungstechniken, wie sie weiter unten beschrieben
sind, mit der Innenfläche
verschmolzen. Das zu opfernde Substrat lässt sich anschließend durch
unterschiedliche Techniken aus der Bohrung entfernen.
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Andere Verfahren zum Anbringen von
Verwirbelungsflächen
auf dem Substrat können
Bestandteil dieser Erfindung sein. Beispielsweise kann die Fläche des
Substrats mit Ausnehmungen ausgebildet sein, die Abmessungen aufweisen,
die der für die
Durchlassöffnung
gewünschten
Verwirbelung entsprechen. Die Ausnehmungen werden mit einer Zusammensetzung
aus Haftmittel und Verwirbelungsmaterial gefüllt, und das Substrat wird
anschließend
in die Durchlassöffnung
eingeführt.
Nach dem Schmelzschritt und dem Entfernen des Substrats bleibt das
Verwirbelungsmaterial über
das Haftmittels an der Bohrungsfläche befestigt.
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Als eine weitere Alternative kann
ein verhältnismäßig dünnes Substrat
(gewöhnlich
ein Stab oder eine Spindel) als ein Träger für eine Anzahl von Ringen dienen.
Die Ringe umgeben den Stab und sind jeweils aus einer Zusammensetzung
aus Haftmittel und Verwirbelungsmaterial gefertigt. Ringe, die aus einem
zu opfernden Material gefertigt sind, können mit den aus Haftmittel
und Verwirbelungsmaterial aufgebauten Ringen abwechselnd entlang
des Substrats angeordnet sein. Nach dem Einführen der aus Substrat und Ringen
aufgebauten Anordnung in die Durchlassöffnung kann das Substrat zurückgezogen werden,
und die mit Verwirbelungsmaterial versehenen Ringe können mit
der Bohrungswand verschmolzen werden. Die zu opfernde Ringe lassen
sich, wie unten beschrieben, aus der Durchlassöffnung entfernen.
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Als eine weitere Alternative kann
das Substrat selbst eine Metallfolie sein, die aus dem Haftmittelmaterial
gefertigt ist. Ein Verwirbelungsmaterial kann auf die Folie aufgetragen
werden, und die Folie kann auf ein geeignetes Maß zugeschnitten werden, um
in die Durchlassöffnung
zu passen. Die Folie kann in diesem Falle zu einem Rohr zusammengerollt
werden, wobei das Verwirbelungsmaterial auf der Innenfläche der
Röhre abgeschieden
ist. Die Röhre
wird anschließend
in die Durchlassöffnung eingeführt und
mit dieser verschmolzen, so dass das Verwirbelungsmaterial mit der
Bohrungswand haftend verbunden wird.
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Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
betrifft ein Bauteil, zu dem gehören:
- (I) ein Substrat, das wenigstens mit einer
Durchlassöffnung
ausgebildet ist, wobei die Durchlassöffnung eine Innenfläche aufweist;
und
- (II) Verwirbelungsmaterial, das in einem Bereich der Innenfläche der
Durchlassöffnung
mittels eines Haftmittels befestigt ist. Wie hier beschrieben, ist
das Bauteil häufig
ein Bauteil einer Turbine, das mit einer Anzahl radialer Küh lungsbohrungen versehen
ist, die die Verwirbelungsflächen
aufweisen.
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Weitere Einzelheiten, die die vielfältigen Ausstattungsmerkmale
dieser Erfindung betreffen, sind der restlichen Beschreibung zu
entnehmen.
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1 zeigt
eine Darstellung eines zylindrischen Metalldorns, an dem das Verwirbelungsmaterial
angebracht ist.
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2 zeigt
eine Schnittansicht (Stirnansicht) des zylindrischen Dorns von 1 nach dem Aufbringen eines
Haftmittels.
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3 zeigt
in einer seitlichen Draufsicht einen mit Ausnehmungen ausgebildeten
zylindrischen Dorn.
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4 zeigt
den Dorn von 3 in einer
Seitenansicht von rechts.
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5 veranschaulicht
den Dorn von 3, nachdem
die Ausnehmungen mit einer Metall-Bindemittelsubstanz gefüllt wurden.
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6 veranschaulicht
das Einführen
des Dorns von 5 in eine
Durchlassöffnung.
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7 veranschaulicht
die Durchlassöffnung von 6 nach Entfernen des Dorns.
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8 veranschaulicht
einen Satz von Ringen, die Verwirbelungsflächen bilden und auf einem Dorn
anzuordnen sind.
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9 zeigt
eine rechte Seitenansicht von 8.
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10 zeigt
eine seitliche Draufsicht auf einen zylindrischen Dorn.
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11 zeigt
eine rechte Seitenansicht von 10.
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12 veranschaulicht
einen Satz von zu opfernden Ringen, die auf einem Dorn anzuordnen sind.
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13 zeigt
eine rechte Seitenansicht von 12.
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14 veranschaulicht
den Dorn von 10, nachdem
Sätze von
Ringen daran angebracht sind.
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15 zeigt
eine rechte Seitenansicht von 14.
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16 veranschaulicht
die Anordnung von Ringen in 14,
wie in einer Durchlassöffnung nach
Entfernen des Dorns erscheinen.
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17 zeigt
eine rechte Seitenansicht von 16.
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18 veranschaulicht
noch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem das Verwirbelungsmaterial auf der Innenfläche eines
zylindrischen, hohlen Dorns aufgebracht wurde, der aus einer Metallfolie
geformt wurde.
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19 zeigt
in einer Photographie einen Abschnitt einer aus einer Superlegierung
gefertigten Röhre,
auf die Verwirbelungsmaterial angebracht wurde.
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20 zeigt
einen Ausschnitt einer Hartlotfolie, die mit Verwirbelungsmaterial
versehen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die in dieser Beschreibung erörterten
Durchlassöffnungen
können
innerhalb eines beliebigen metallenen Materials oder einer Legierung
ausgebildet sein. Üblicherweise
(jedoch nicht in jedem Fall) ist das metallene Material eine wärmeresistente
Legierung, die für
Umgebungen hoher Temperatur, beispielsweise oberhalb 1000°C, ausgelegt
ist. In dem hier verwendeten Sinne kennzeichnet der Ausdruck "auf Metall basierend" solche Materialien,
die hauptsächlich
aus Metall oder aus Metalllegierungen hergestellt sind, jedoch daneben
nichtmetallische Substanzen enthalten können.
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Einige wärmeresistente Legierungen sind "Superlegierungen", beispielsweise
auf Kobalt basierende, auf Nickel basie rende und auf Eisen basierende
Legierungen. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Superlegierung ein Material, in dem Nickel oder Kobalt das
gewichtsprozentual am stärksten
vertretene Einzelelement ist. Auf Nickel basierende Legierungen
enthalten beispielsweise wenigstens etwa 40 Gew.-% Ni und wenigstens
eine Komponente aus der Gruppe, die aus Kobalt, Chrom, Aluminium,
Wolfram, Molybdän,
Titan und Eisen besteht. Auf Kobalt basierende Legierungen enthalten
beispielsweise wenigstens etwa 30 Gew.-% Co, und wenigstens eine
Komponente aus der Gruppe, die aus Nickel, Chrom, Aluminium, Wolfram,
Molybdän,
Titan und Eisen besteht. Das Bauteil, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet
ist, kann ganz unterschiedlicher Art sein, liegt jedoch häufig in
Form einer Bauteils einer Turbine vor, z.B. einer Brennkammerbuchse,
einer Brennkammerkuppel, einer Schaufel oder einem Blatt, einer
Düse oder
einem Flügel
einer Turbine.
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Das Verwirbelungsmaterial kann aus
einem beliebigen Material gefertigt sein, das nach einem Verschmelzen
mit der Fläche
der Durchlassöffnung mehrere
Vorsprünge
bildet, die aus der Oberfläche ragen.
Die Vielzahl der Vorsprünge
stellt sich als eine aufgeraute Fläche dar. Häufig umfasst das Verwirbelungsmaterial
eine Partikelphase aus einzelnen Partikeln, die an die Oberfläche der
Durchlassöffnung gebunden
sind. Die Partikelphase aus einzelnen Partikeln kann, wie weiter
unten erläutert,
aus einem grobkörnigen
Pulver hergestellt werden. Ferner findet sich eine allgemeine Beschreibung
von Verwirbelungsmaterial in der parallelen Patentanmeldung S.N.
09/304,276, die am 3. Mai 1999 (Anwaltsaktenzeichen RD-25910) (W.
Hasz et al.) eingereicht wurde und auf deren Beschreibung hier Bezug
genommen wird.
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Das Verwirbelungsmaterial wird in
der Regel aus einem Material hergestellt, das demjenigen ähnelt, aus
dem das Bauteil besteht, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Gewöhnlich umfasst
das Pulver des Verwirbelungsmaterials wenigstens ein Element, das
aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Nickel, Kobalt, Aluminium, Chrom, Silizium, Eisen
und Kupfer besteht. Das Pulver kann aus einer Superlegierungsbindungsschichtzusammensetzung hergestellt
sein, wie sie für
Wärmebarrierebeschichtungssysteme
(TBC-Systeme) verwendet wird. Beispielsweise kann das Pulver eine
Superlegierungszusammensetzung der Form MCrAl(X) sein, wobei M ein
Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ni, Co, Fe
und deren Kombinationen besteht; und X ein Element ist, das aus
der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Y, Ta, Si, Hf, Ti, Zr, B, C und deren Kombinationen
besteht. Die Zusammensetzung der MCrAl(X)-Materialien enthält im Allgemeinen
anteilig etwa 17,0–23,0%
Chrom; etwa 4,5–12,5%
Aluminium; und etwa 0,1-1,2%
Yttrium; wobei M die Differenz zu 100% bildet. In einigen Ausführungsbeispielen
weisen die Pulverpartikel des Verwirbelungsmaterials eine durchschnittliche
Partikelgröße im Bereich
von ungefähr
125 μm bis
etwa 4000 μm
auf. In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen
liegt die durchschnittliche Abmessung im Bereich von ungefähr 180 μm bis etwa
600 μm.
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In der vorliegenden Erfindung wird
das Verwirbelungsmaterial an bereits vorhandenen Durchlassöffnungen
angebracht. In den meisten Fällen weisen
diese Durchlassöffnungen
anfänglich
glatte Oberflächen
auf. (Das erfindungsgemäße Verfahren kann
allerdings auch verwendet werden, um Verwirbelungsflächen in
Bohrungen anzubringen, deren Oberflächen bereits ganz oder teilweise
rauh sind). Techniken zum Formen der Durchlassöffnungen sind aus dem Stand
der Technik hinlänglich
bekannt. Beispielsweise können
die Bohrungen in vielen Arten von Bauteilen durch Gießen vorgesehen
sein. Darüber
hinaus kann ein STEM-Verfahren verwendet werden, um ebenmäßige Bohrungen
herzustellen, d. h. indem der Prozess in einer "kontinuierlichen" Weise durchgeführt wird. Im Falle von gewissen
Arten von Bauteilen können
die Durchlassöffnungen
durch andere Bohrungstechniken ausgebildet werden, z.B. mittels
Laserbohren, elektroerosiver Bearbeitung (EDM) und Gewehrlaufbohrtechniken.
Die Länge
der Durchlassöffnungen
beträgt
in der Regel etwa 1 Zoll (2,5 cm) bis etwa 25 Zoll (63,5 cm). Ferner
liegt das Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser im Bereich von etwa 20 : 1 bis etwa 100 : 1.
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Wie oben erwähnt, wird das Verwirbelungsmaterial
zunächst
an einem Substrat angebracht, z.B. an einem Dorn oder einer sonstigen
Art eines entfernbaren Trägers.
Viele unterschiedliche Arten von Substraten können für diesen Zweck eingesetzt werden.
Die Maße
und die Gestalt des Substrats können
beträchtlich
variieren, solange dieses sich in die Durchlassöffnung einbringen lässt. Das
Substrat muss ferner geeignet sein, das Verwirbelungsmaterial an
seiner Oberfläche
festzu halten und nach einem anschließenden Wärmebehandlungsschritt an die Fläche der
Durchlassöffnung "freizugeben" oder zu übergeben.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat,
wie in 1 gezeigt, ein
Stab 10. Die Länge
des Stabs ist ausreichend bemessen, um das Verwirbelungsmaterial 12 für eine gewünschte Länge der Durchlassöffnung aufzunehmen.
Die Gestalt des Stabes wird basierend auf der Gestalt der Bohrung
ermittelt. Gewöhnlich
ist die Gestalt, wie in der Figur gezeigt, im Wesentlichen zylindrisch.
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In manchen der bevorzugten Ausführungsbeispiele
ist der Stab aus einem zu opfernden Material ausgebildet. D.h. ein
derartiges Material lässt
sich aus der Durchlassöffnung
entfernen, nachdem das Verwirbelungsmaterial mit der Bohrungsfläche verschmolzen
ist. Es können
vielfältige
Opfermaterialien verwendet werden. Viele davon sind in der parallelen Patentanmeldung
S.N. 10/139,659 beschrieben, die am 7. Mai 2002 (Anwaltsaktenzeichen
RD-26,739, W. Hasz et al.) eingereicht wurde und auf deren Beschreibung
hier Bezug genommen wird. Der Fachmann ist in der Lage, das am besten
geeignete Material für
ein ausgewähltes
Bauteil und für
einen Typ eines (unten beschriebenen) Haftmittels zu ermitteln. Das
zu opfernde Material sollte geeignet sein, sich aus der Bohrung
ohne besonderen Aufwand entfernen zu lassen. Die Bedingungen des
Entfernens (z.B. thermischen Bedingungen) sollten sich auf die Bohrung
oder deren umgebende Bereiche nicht schädlich auswirken.
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Nicht als beschränkend zu wertende Beispiele
für Opfermaterialien
schließen
Metalloxide, Metallsalze, Metallhalogenide, Metallborate, Metallsulfate,
Metallaluminate und deren Kombinationen ein. Einige spezielle Beispiele
sind Natriumchlorid, Kaliumborat, Nickelchlorid, Magnesiumsulfat,
Nickelfluorid, Natriumaluminat; und Mischungen von Natriumaluminat
und Natriumaluminosilicat. Viele dieser Verbindungen werden, falls
sie in Form einer Paste verwendet werden, mit einem Bindemittel
und/oder einem Lösungsmittel
kombiniert. Nicht als beschränkend
zu wertende Beispiele der Bindemittel sind auf Wasser basierende
Gele, z.B. Vitta GelTM und Polyethylenoxid.
Zu Beispielen von auf Lösungsmittel
basierenden Bindungssystemen zählen
solche, die auf Polyvinylbutyral basieren. Die Wahl eines speziellen Lösungsmittels
wird von dem Typ des verwendeten Bindemittels abhängen. Zu
den typischen Beispielen zählen
Wasser, Alkohole, Azeton, Natriumhydroxidlösungen und Kaliumhydroxidlösungen.
Dem Fachmann sind Techniken bekannt, durch die sich diese Materialien
zu Substraten vielfältiger
Gestalt formen lassen, beispielsweise zu einem zylindrischen Stab.
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In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen
werden auf Kohlenstoff basierende Materialien verwendet, um das
Substrat zu bilden. Zu den Beispielen zählen Graphit, sowie graphithaltige
Mischungen. Auf Graphit basierende Substrate lassen sich ohne weiteres
in eine gewünschte
Gestalt pressformen. Darüber
hinaus lässt
sich Graphit, falls erforderlich, bei spielsweise durch Verbrennungstechniken
problemlos aus der Durchlassöffnung
entfernen.
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Es stehen eine Reihe von Möglichkeiten
zur Verfügung,
um Verwirbelungsflächen
an dem Stab anzubringen 10. Viele davon sind in den zuvor erwähnten Patentanmeldungen
allgemein erörtert.
In einer Ausprägung
können
die Partikel des Verwirbelungsmaterials nach Belieben auf dem Stab
aufgetragen oder "gesprüht" werden. Gewöhnlich wird
der Stab zunächst
mit einer beliebigen Art eines Bindemittel (z.B. durch Besprühen oder
Eintauchen) beschichtet, um ein vorübergehendes Haften für die Partikel
des Verwirbelungsmaterials vorzusehen. Das Bindemittel basiert gewöhnlich auf
einem flüssigen
Medium, beispielsweise Wasser oder einem organischen Lösungsmittel.
Als herkömmliche
Bindemittel können
organische Materialien, z.B. Polyethylenoxid und vielfältige Akrylfaserstoffe,
verwendet werden. (Ferner können
auf Lösungsmittel
basierende Bindemittel verwendet werden).
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Nachdem das Verwirbelungsmaterial
auf dem Stab aufgebracht ist, kann ein Haftmittel auf das Material
aufgetragen werden. In vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Haftmittel
ein Hartlotmaterial. Solche Materialien sind aus dem Stand der Technik
hinlänglich
bekannt und umfassen häufig wenigstens
ein Metall, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel, Kobalt,
Eisen, einem Edelmetall und einer Mischung besteht, die mindestens eines
der vorausgehenden Elemente enthält.
Einige Hartlotzusammensetzungen sind in "Kirk-Othmer
Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Bd. 21, Seite 342 ff.
beschrieben. Die Zusammensetzung der Hartlotlegierung ähnelt vorzugsweise
jener des Bauteils , in dem die Bohrung ausgebildet ist. Falls das
Bauteil beispielsweise aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung
gefertigt ist, kann die Hartlotlegierung aus einer ähnlichen
auf Nickel basierenden Superlegierungszusammensetzung (die gewöhnlich wenigstens
etwa 40 Gew.-% Nickel enthält)
hergestellt sein. Die Hartlotlegierungszusammensetzung kann ferner
Silizium und/oder Bor enthalten, die als Mittel zum Senken des Schmelzpunkts
dienen.
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Exemplarische auf Nickel basierende
Hartlotlegierungszusammensetzungen sind weiter unten beschrieben.
Die Komponenten sind in Gewichtsprozent angegeben:
- 1) 4,5 Si, 14,5 Cr, 3,3 B und 4,5 Fe, Rest Nickel;
- 2) 15 Cr, 3,5 B, Rest Nickel;
- 3) 4,5 Si, 3 B, Rest Nickel;
- 4) 4,2 Si, 7 Cr, 3 B und 3 Fe, Rest Nickel;
- 5) 10 Si, 19 Cr, Rest Nickel;
- 6) 3,5 Si, 22 Co, 2,8 B, Rest Nickel;
- 7) 3,5 Si, 1,8 B, Rest Nickel;
- 8) 4,5 Si, 14 Cr, 3 B und 4,5 Fe, Rest Nickel;
- 9) 17 Cr, 9 Si, 0,1 B, Rest Nickel;
- 10) 2,6 Si, 2 Cr, 2 B und 1 Fe, Rest Nickel;
- 11) 15 Cr, 8 Si, Rest Nickel;
- 12) 10,1 Si, 19,0 Cr, Rest Nickel;
- 13) 4,5 Fe, 4,5 Si, 14,0 Cr, 3,1 B, 0,75 C, Rest Nickel;
- 14) 4,5 Fe, 4,5 Si, 14,0 Cr, 3,1 B, Rest Nickel;
- 15) 4,5 Si, 3,1 B, Rest Nickel;
- 16) 11,0 P, Rest Nickel;
- 17) 10,1 P, 14,0 Cr, Rest Nickel; und
- 18) 19 Cr, 7,3 Si, 1,5 B, Rest Nickel.
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Einige bevorzugte auf Nickel basierende Hartlotlegierungszusammensetzungen
für die
vorliegende Erfindung umfassen wenigstens eines der Elemente Silizium,
Chrom, Bor und Eisen, wobei Nickel die Differenz zu 100% bildet.
Silizium wird in manchen Fällen
gegenüber
Bor bevorzugt verwendet. In einigen Fällen werden Mischungen von
Silizium und Bor verwendet. Als ein spezielles, nicht als beschränkend zu
bewertendes Beispiel umfassen einige diese Zusammensetzungen etwa
5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Silizium oder Bor; und etwa 15 Gew.-%
bis etwa 25 Gew.-% Chrom, wobei Nickel die Differenz zu 100% bildet.
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Exemplarische auf Kobalt basierende
Hartlotlegierungszusammensetzungen enthalten:
- 1)
8 Si, 19 Cr, 17 Ni, 4 W, 0,8 B, Rest Co; und
- 2) 17,0 Ni, 1,0 Fe, 8,0 Si, 19,0 Cr, 0,8 B, 0,4 C, Rest Co.
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Es könnten ebenso andere Arten von
Hartlotlegierungen verwendet werden. Zu nicht als beschränkend zu
wertenden Beispielen zählen
Edelmetallzusammensetzungen, die Silber, Gold und/oder Palladium
in Kombination mit anderen Metalle, z.B. Kupfer, Mangan, Nickel,
Chrom, Silizium und Bor enthalten.
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Mischungen, die mindestens eines
der Hartlotlegierungselemente enthalten, können ebenfalls verwendet werden.
Viele der Metallhartlotzusammensetzungen sind von Praxair Surface
Technologies, Inc. zu beziehen.
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Das Haftmittel, hier z.B. ein Hartlotmaterial, kann über dem
Verwirbelungsmaterial in Form einer Haftfolie oder einer Haftschicht
angebracht sein. Die Haftfolie kann beispielsweise in Form eines
grünen Hartlotbands
zur Verfügung
stehen, das um den Stab herum gewickelt oder aufgerollt wird. Grüne Hartlotbänder sind
im Handel erhältlich.
Zu den Beispielen zählen
die von Sulzer Metco zu beziehende Amdry-Produktline von Hartlotbändern. Eine
exemplarische Güteklasse
stellt Amdry®100
dar. Die Klebebänder
können
alternativ mittels herkömmlicher
Techniken erzeugt werden, wie sie in der erwähnten Patentanmeldung S.N.
09/304,276 beschrieben sind. (Alternativ kann die Haftfolie in Form
einer Metallfolie vorliegen).
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2 veranschaulicht
einen Querschnitt (Stirnansicht) des zylindrischen Stabs (Substrats) von 1 nach dem Aufbringen des
Haftmittels. Der Stab 10 umfasst eine Verwirbelungsschicht 12,
die ihrerseits mit einer Hartlotschicht 14 bedeckt ist.
Der Stab kann in diesem Zustand manuell oder mechanisch in eine
Durchlassöffnung
eingeführt
werden. (Zur Veranschaulichung kann ein Robotersystem verwendet
werden, um mehrerer Stäbe
gleichzeitig in unterschiedliche Durchlassöffnungen einzuführen). Der
Stab wird ausreichend weit eingeführt, um das Verwirbelungsmaterial 12 benachbart
zu einem ausgewählten
Bereich der Innenfläche
der Durchlassöffnung
zu positionieren.
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Nachdem der Stab an einer gewünschten Position
innerhalb der Durchlassöffnung
positioniert ist, wird eine Wärmebehandlung
vorgenommen. Die Wärmebehandlung
verschmilzt das Verwirbelungsmaterial mit der Innenfläche der
Bohrung. Die jeweils speziell verwendete Wärmebehandlung kann variieren
und hängt
zum Teil von der Art des verwendeten Haftmittels ab. (Die Wärmebehandlung
sollte gewöhnlich
ausreichend Wärme
an das Haftmittel, das Verwirbelungsmaterial und das darunter liegende Metall
der Durchlassöffnung
abgeben, um ein angemessenes Verschmelzen zu ermöglichen). Im Falle eines für Hartlöten geeigneten
Haftmittels kann ein herkömmlicher
Hartlötschritt
eingesetzt werden, wie er in S.N. 09/304,276 beschrieben ist. (In
dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff "Hartlöten" im Wesentlichen jedes Verfahren zum
Verbinden von Metallen umfassen, das die Verwendung eines Füllstoffmetalls
oder einer Füllstofflegierung
beinhaltet).
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Die Hartlöttemperaturen hängen teilweise von
der Art der verwendeten Hartlotlegierung ab und liegen gewöhnlich im
Bereich von etwa 525°C
bis etwa 1650°C.
Im Falle von auf Nickel basierenden Hartlotlegierungen, liegen die
Hartlöttemperaturen gewöhnlich im
Bereich von etwa 800°C
bis etwa 1260°C.
Wenn möglich,
wird das Hartlöten
in der Regel in einem Vakuumofen durchgeführt. Die Stärke des Vakuums wird teilweise
von der Zusammensetzung der Hartlotlegierung abhängen. Gewöhnlich liegt das Vakuum im
Bereich von etwa 10–1 Torr bis etwa 10–8 Torr
und wird durch Evakuieren von Umgebungsatmosphäre aus einer Vakuumkammer bis
zum gewünschten
Grad erzeugt. Der Fachmann sind möglicherweise weitere Erhitzungstechniken
bekannt, die sich zum Verschmelzen des Verwirbelungsmaterials innerhalb
der Durchlassöffnung
eignen.
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Der Wärmebehandlungsschritt verschmilzt das
Haftmittel (z.B. das Hartlotmaterial) mit der Innenfläche der
Durchlassöffnung.
Wenn das Haftmittel abkühlt,
geht es eine metallurgische Verbindung mit der Wand der Bohrung
ein. Das Verwirbelungsmaterial wird mechanisch innerhalb der Bindemittelschicht,
z.B. des verfestigten Hartlotmatrixmaterials, gehalten. Das Verwirbelungsmaterial
ragt dabei in den Pfad der Durchlassöffnung, um seine Funktion, z.B.
die Verbesserung der Wärmeübertragung,
zu erfüllen.
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Nachdem das Haftmittel mit der Fläche der Durchlassöffnung verschmolzen
ist, kann das Substrat (z.B. der Dorn) aus der Bohrung entfernt
werden. In einigen Ausprägungen
wird das Substrat einfach unverändert
aus der Bohrung zurückgezogen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird es jedoch mittels einer beliebigen Technik entfernt, die das
Substrat (i. e. ein zu opferndes Substrat) zersetzt. Die jeweils
zu verwendende spezielle Technik hängt teilweise von der Zusammensetzung
des Substrats ab. Die Technik sollte so geartet sein, dass weder
die Durchlassöffnung
noch das Bauteil, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet ist, beeinträchtigt werden.
(Beispielsweise könnten
starke Säuren
sich zwar zum Entfernen viele Arten von Substraten eignen, jedoch
könnten
dabei me tallene Bauteile oder Komponenten in der Umgebung beschädigt werden).
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Im Falle eines wasserlöslichen
Substratmaterials kann als Technik zum Entfernen eine wässrige Spülung verwendet
werden. Chemisches Auslaugen oder Vakuumextraktion könnte für andere
Arten von Materialien eingesetzt werden. Ätzen mit Lösungsmitteln wie Wasser, Alkohole,
Azeton oder Alkalimetallhydroxide kann ebenfalls eingesetzt werden.
Eine weitere Technik, die sich in manchen Fällen eignet, stellt das Entfernen
mittels Ultraschall dar.
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Falls das Substratmaterial organisch
(z.B. Graphit) oder teilweise organisch ist, könnte Verbrennung eingesetzt
werden. Beispielsweise könnte
das Bauteil selbst bis zu einer Temperatur erhitzt werden, die ausreicht,
um das Substratmaterial zu verdampfen oder abzubrennen. Rückstände könnten anschließend durch
einen bloßen
Druckluftstrom oder in Kombination mit einer der anderen oben erwähnten Techniken
entfernt werden.
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In noch einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird das Verwirbelungsmaterial zunächst auf dem Substrat (z.B.
dem Dorn) in Form eines Schlamms der auch das Haftmittel enthält, aufgetragen.
Beispielsweise kann eine Schlammzusammensetzung, die ein flüssiges Medium,
Hartlotlegierungspulver und Verwirbelungsmaterialpulver enthält, durch
einfache Mischtechniken zubereitet werden. (Der Schlamm kann optional
ein Bindemittel enthalten, und das flüssige Medium kann als ein Lösungsmittel für das Bindemittel
wirken.) Das flüssige
Medium kann, wie zuvor beschrieben, in Form von Wasser oder eine
organische Komponente, oder Mischungen davon vorliegen.
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Der Schlamm kann durch vielfältige Techniken
aufgetragen werden. Beispielsweise kann dieser aufgesprüht, aufgestrichen
oder unmittelbar auf dem Substrat als Folie gegossen werden. Der
Schlamm kann anschließend
erlaubt werden, zu trocken, wobei sämtliche flüchtigen Bestandteile verdunsten.
Alternativ kann ein herkömmlicher
Wärmebehandlungsschritt
durchgeführt
werden, um das Verdunsten der flüchtigen
Stoffe zu beschleunigen. Das Substrat, das das Verwirbelungsmaterial
und das Haftmittel umfasst, kann anschließend, wie zuvor beschrieben, in
die Durchlassöffnung
eingeführt
werden.
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Als eine weitere Alternative kann,
wie in 3 und 4 dargestellt, ein Muster
von Ausnehmungen in der Fläche
des Substrats ausgebildet werden. Jede Ausnehmung 30 in
dem Substrat 32 (z.B. einem zylindrischen Stab) weist eine
Abmessung auf, die zu der Abmessung einer entsprechenden, gewünschten Position
von Verwirbelungsmaterial auf der Innenfläche einer Durchlassöffnung reziprok
ist. Verfahren zum Strukturieren und Ausbilden der Ausnehmungen sind
hinlänglich
aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann eine – in der
Regel rechnergesteuerte – materialabhebende
Bearbeitungstechnik für
diesen Zweck verwendete werden.
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Die Ausnehmungen 30 werden
anschließend,
wie in 5 gezeigt, mit
einer Zusammensetzung 34 aus Haftmittel und Ver wirbelungsmaterial gefüllt. Jede
dieser Komponenten wurde zuvor beschrieben. Ferner ist gewöhnlich ein
Bindemittel anwesend. (Allerdings sind dem mit Metallpulvertechnologie
vertrauten Fachmann auch andere Techniken bekannt, die geeignet
sind, die Verwirbelungsmaterialpartikel und die Haftmittelpartikel
in ausreichendem Maße
aneinander haften zu lassen). Das Haftmittel ist gewöhnlich ein
Hartlotmaterial, und ein zusätzliches
Lösungsmittel
kann hinzugefügt
werden, um die Viskosität
einzustellen. Die Zusammensetzung weist gewöhnlich eine pastenartige Viskosität auf. Die
Zusammensetzung kann durch eine beliebige unkomplizierte Technik,
z.B. Aufspachteln oder Injektion, in die Ausnehmungen eingebracht
werden. Als ein optionaler zusätzlicher
Schritt kann um den Stab eine Haftmittelschicht gewickelt oder aufgerollt werden,
die die mit der Zusammensetzung 34 gefüllten Ausnehmungen bedeckt.
Wie zuvor beschrieben, ist die zum Umwickeln verwendete Bindemittelschicht
häufig
ein grünes
Hartlotband.
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Das Substrat wird anschließend, wie
in 6 gezeigt, in die
Durchlassöffnung 36 eingeführt. Nachdem
das Substrat an der gewünschten
Stelle positioniert ist, wird eine Wärmebehandlung vorgenommen,
um das Verwirbelungsmaterial zusammen mit dem Haftmittel mit der
Bohrungswand zu verschmelzen. In den meisten Fällen ist das Haftmittel ein
Hartlot, und die Hartlöttechnik
ist von der zuvor beschriebenen Art.
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Nach dem Schmelzschritt kann das
Substrat 32 durch eine der oben beschriebenen Techniken entfernt
werden. Eine Verbrennen beinhaltende Technik des Entfernens ist
in Fällen bevorzugt,
in denen das Substratmaterial entflammbar ist. Beispielsweise kann
ein Schritt des Vakuum-Hartlötens
zum Verschmelzen verwendet werden, auf den ein Wärmebehandlungsschritt mit Luft
folgt, um ein graphitartiges Substratmaterial zu oxidieren und auf
diese Weise zu entfernen. (Es sollte darauf geachtet werden, dass
Temperaturen vermieden werden, die zu Beschädigungen der umgebenden wand
der Durchlassöffnung
führen
könnten).
Nach dem Entfernen des Substrats verbleibt das übrig gebliebene Verwirbelungsmaterial 38,
wie in 7 im Querschnitt
dargestellt, mit der Innenwand 40 der Bohrung 36 verschmolzen.
(Die den Rand des Verwirbelungsmaterials in dieser Schnittansicht
definierenden Linien wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen).
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In noch einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann das Verwirbelungsmaterial mit einem Haftmittel
kombiniert sein, um Ringe oder "Scheiben" aus dem Material
zu bilden. (Ein Bindemittel wird gewöhnlich ebenfalls mit einbezogen).
Die spezielle Gestalt der Ringe 50 aus Verwirbelungs- und
Haftmittelmaterial in 8 und 9 wird von der gewünschten Gestalt
der Verwirbelungsflächen
abhängen.
Beispielsweise könnten
anstelle einer kreisförmigen
Gestalt vielfältige
rechteckige Formen verwendet werden. Alternativ könnte eine
Vielfalt von unregelmäßigen Formen
verwendet werden, die beispielsweise von jeweiligen Kühlmittelströmungsmodellen
abhängen.
(Außerdem
könnten
einzelne Ringe aus dem Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial unterschiedliche
Formen aufweisen). Die Ringe können
durch eine beliebige unkomplizierte Technik, z.B. Formpressen, geformt
werden.
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Die Ringe 50 werden anschließend über das abnehmbare
Substrat 52 (z.B. einen in 10 und 11 gezeigten zylindrischen
Trägerstab)
geschoben und entsprechend der für
das Verwirbelungsmaterial gewünschten
Position positioniert. Die Ringe können an dem Substrat an der
vorbestimmten Stelle vorübergehend
fixiert werden, bevor sie durch vielfältige Techniken mit der Wand
der Durchlassbohrung verschmolzen werden. Als ein Beispiel hierfür könnte das
Ringmaterial einem Lösungsmittel
ausgesetzt werden, das das Bindemittel in dem Haftmittelmaterial
teilweise auflöst
und plastifiziert. Diese Behandlung würde bewirken, dass sich die
Struktur an die Oberfläche
des Substrats anpasst und daran haftet.
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Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass die Dicke oder der Durchmesser des Substrats
52 im Vergleich zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen erheblich
reduziert werden kann. Als Folge hiervon ist das nach dem Verschmelzen
des Verwirbelungsmaterials mit der Bohrungswand zu entfernende Volumen
des Substrats ebenfalls geringer, da das Substrat vorher entfernt
werden kann. Dies kann in manchen Fällen ein wesentliches Qualitätsmerkmal
des Verfahrens bedeuten.
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In einigen Fällen können ferner aus einem zu opfernden
Material gefertigte Ringe oder Scheiben über das Substrat geschoben
werden. Beispielsweise können
zu opfernde Ringe 54, wie in 12 und 13 gezeigt, über die
Länge des
Stabes 52 (10) im
Wechsel mit Ringen 50 aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial
aufgeschoben werden. Die zu opfernden Ringe sorgen, wie in 14 gezeigt, für eine gewünschte Trennung
zwischen den einzelnen Ringe aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial.
Die zu opfernden Ringe 54 sind gewöhnlich aus einem ähnlichen
Material wie das Substrat gefertigt, z.B. einem Oxid oder Graphit.
Auf diese Weise lassen sich die zu opfernden Ringe ohne weiteres
(gemeinsam mit dem Substrat) entfernen, nachdem das Verwirbelungsmaterial
mit der Bohrungswand verschmolzen ist. Die Abmessung der zu opfernden
Ringe wird weitgehend von der gewünschten Position der benachbarten
Ringe aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial 50 abhängen. (Wie
in einem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann optional
eine gesonderte Haftmittelschicht, z.B. grünes Hartlotband, um den Stab
gewickelt oder aufgerollt werden, die die Ringe 50 und 54 bedeckt).
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14 und 15 veranschaulichen ein Dorn-/Substratelement 60,
das Ringe 50 aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial
und zu opfernde Ringe 54 aufweist. (Die Ringe sind in dieser
Veranschaulichung abwechselnd angeordnet, könnten jedoch nach einem beliebigen
Muster angeordnet sein). Im zusammengesetzten Zustand lässt sich
das Dornelement, wie zuvor beschrieben, in die Durchlassöffnung einführen. Nach
dem Einführen
kann das Substratelement, d. h. der innenliegende Trägerstab 52, zurückgezogen
werden, wobei die Ringe 50 und 54 an deren vorbestimmten
Positionen innerhalb der Bohrung verbleiben. 16 und 17 veranschaulichen
die Anordnung der Ringe allein, nach dem Entfernen des Trägerstabs 52.
Vor der Anwendung von Wärme
zum Verschmelzen können die
Ringe durch vielfältige
Techniken innerhalb der Bohrung vorübergehend an Ort und Stelle
gehalten werden. Beispielsweise kann ein Lösungsmittel, das ein jeweiliges
Bindemittel in den Ringen teilweise auflöst und plastifiziert in die
Bohrung gesprüht
werden, um zu bewirken, dass die Ringe an der Bohrungswand haften.
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Ein Entfernen des innenliegenden
Trägerstabs 52 reduziert
die Menge des Materials erheblich, die nach dem Schritt des Verschmelzens
zu verbrennen oder in sonstiger Weise zu entfernen ist. Ein herkömmlicher
Wärmebehandlungsschritt
(z.B. Hartlöten)
kann anschließend
vorgenommen werden, um das Verwirbelungsmaterial mit der Wand der
Durchlassbohrung zu verschmelzen. Die zu opfernden Ringe 54 können anschließend durch
eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Techniken entfernt werden, beispielsweise
durch Ätzen,
chemisches Auslaugen oder Verbrennen. (Ferner ist zu beachten, dass
der innenliegende Trägerstab 52 während des
Verschmelzens des Verwirbelungsmaterials in der Durchlassöffnung verbleiben
und danach entfernt werden kann, beispielsweise durch die Technik,
die zum Entfernen der zu opfernden Ringe verwendet wird) .
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In noch einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann das Substrat eine Metallfolie sein, die aus dem
Haftmittelmaterial, z.B. einem Hartlot, geformt ist. Die Folie ist
mit einer Fläche
bemessen, die ausreicht, um einen Bereich der Innenfläche der
Durchlassöffnung
zu bedecken, auf dem Verwirbelungsflächen gewünscht sind. Vielfältige Techniken
können verwendet
werden, um eine derartige Folie herzustellen. Viele davon werden
in den beiden zuvor erwähnten
Patentanmeldungen S.N. 09/304,276 und S.N. 10/139,659 erläutert. Als
ein Beispiel hierfür
wird eine Mischung aus Metallpulvermaterial und Bindemittel auf
eine entfernbare Trägerfolie
foliengegossen. In der Regel, jedoch nicht in allen Fällen, ähnelt das
Metallpulver dem Material, aus dem das Bauteil gefertigt ist, in
der die Durchlassöffnung
ausgebildet ist. Nach dem Foliengießen wird die Trägerfolie
entfernt, und die verbleibende grüne Folie wird anschließend beispielsweise
durch die Anwendung einer Vakuumwärmebehandlung zu einer "Vorform"-Folie gesintert.
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Als weiteres Beispiel für das Herstellen
der Metallfolie kann das Metallpulvermaterial zunächst als
eine dünne
Schicht aus Metall auf einer Trägerfolie
abgeschieden werden. Vielfältige
thermische Sprühtechniken
werden gewöhnlich
zum Abscheiden verwendet, z.B. Vakuumplasmaabscheidung, HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen)
oder Luftplasmasprühen
(AP). Die Trägerfolie
wird anschließend entfernt,
wobei die gewünscht
Metallfolie zurückbleibt.
Als noch eine weitere Alternative könnte, wie in der Patentanmeldung
S.N. 09/304,276 beschrieben, eine Technik verwendet werden, die
amorphe Metallstreifen einsetzt, um die Folie herzustellen.
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Das Verwirbelungsmaterial kann in
diesem Fall auf eine erste Fläche
der Folie in Pulverform aufgetragen werden. (Die Fläche der
Folie wird in manchen Fällen
zunächst
mit einem Haftmittel beschichtet, so dass das Verwirbelungsmaterial
an Ort und Stelle bleibt). Darüber
hinaus kann das Verwirbelungsmaterial, wie in den erwähnten Patentanmeldungen
erörtert,
als Struktur auf der Folienfläche
angelegt sein. Die Folie wird auf ein Maß zugeschnitten, das ausreicht,
um einen gewünschten
Bereich der Innenfläche
der Durchlassöffnung
zu bedecken.
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Die Folie kann anschließend aufgerollt
werden, um das Substrat, z.B. eine zylindrische Röhre, zu
bilden. 18 veranschaulicht
eine derartige Röhre
oder Spindel 80 mit einer (deren Innenfläche darstellenden)
ersten Fläche 82 und
einer (deren Außenfläche darstellenden)
zweiten Fläche 84.
Das in einem aufgeschnittenen Abschnitt der Röhre 80 gezeigte Verwirbelungsmaterial 86 ist
auf der Innenfläche 82 abgeschieden.
Die Röhre
wird zu einem Durchmesser aufgerollt, der ausreichend klein ist,
um in die ausgewählte
Durchlassöffnung
zu passen.
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Die Folienröhre 80 kann anschließend in eine
Durchlassöffnung
eingeführt
werden. Wenn sich die Folienröhre
in der Bohrung befindet, sollte die elastisch federnde Eigenschaft
der Metallfolie bewirken, das sich die Röhre erweitert und die Innenfläche der
Bohrung berührt.
Das Verwirbelungsmaterial 86 der Innenfläche 82 der
Folie ragt ins Innere der Bohrung der Durchlassöffnung, während die Außenfläche 84 der
Folie möglichst
eng an der Wand anliegt. Vor dem Schmelzschritt kann die Folie durch
vielfältige
Techniken vorübergehend
an Ort und Stelle gehalten werden. Als Beispiele hierfür seien
Techniken wie Punktschweißen,
Haftschweißen,
Verwendung von Klebstoffen und dergleichen genannt. Die Folie und der
umgebende Bereich können
anschließend,
wie zuvor beschrieben, auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht,
um das Verwirbelungsmaterial mit der Bohrungswand zu verschmelzen.
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19 zeigt
in einer Photographie einen Abschnitt einer Röhre 100 aus einer
Superlegierung. Ein Verwirbelungsmaterial 102 wurde auf
einer Innenfläche 104 und
einer Außenfläche 106 der
Röhre mittels
einem Hartlotmittel angebracht. (Die vorliegende Erfindung betrifft
speziell ein auf der Innenfläche
der Röhre
angebrachtes Verwirbelungsmaterial). Die Widerstandsfähigkeit
des Verwirbelungsmaterials, d.h. dessen Haftung an den Röhrenflächen, ist der
Widerstandsfähigkeit
von Verwirbelungsmaterial ebenbürtig,
das mittels Techniken nach dem Stand der Technik geformt oder aufgetragen
wird.
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Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung betrifft ein Bauteil, das ein Grundmaterial umfasst,
in dem wenigstens eine Durchlassöffnung
ausgebildet ist. Wie zuvor beschrieben, kann das Bauteil in Form
vieler unterschiedlicher Arten von Bauteilen vorliegen. Häufig handelt
es sich um ein Turbinenantriebsbauteil, z.B. eine Turbinenschaufel, die
eine Anzahl von radialen Kühlungsbohrungen (z.B.
etwa 5 bis etwa 50 Durchlassöffnungen)
aufweisen kann. Das Bauteil umfasst ferner Verwirbelungsmaterial,
z.B. eine Metalllegierung, die in wenigstens einem Bereich an die
Innenfläche
der Durchlassöffnung
gebunden ist. Das Verwirbelungsmaterial ragt aus der Innenfläche heraus,
d. h. in den Pfad der Bohrung hinein, und bildet gewöhnlich mehrere
Vorsprünge.
Die Vor sprünge
können
nach einem vorgegebenen Muster angeordnet sein, und deren Abmessung
und Gestalt können
nach Belieben angepasst werden. Wie oben erörtert, dienen die Vorsprünge, falls
die Durchlassöffnungen
als Kühlungsbohrungen wirken
sollen, in der Regel dazu, die Wärmeübertragung
zu verbessern. 20 veranschaulicht
einen ausgeschnittenen Abschnitt einer Hartlotfolie 120, die
Verwirbelungsmaterial 122 aufweist. Wie oben erwähnt, wird
das Verwirbelungsmaterial innerhalb des verfestigten Hartlotmatrixmaterials
mechanisch fixiert.
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Die nachfolgenden Beispiele dienen
lediglich der Veranschaulichung und sollten in keiner Weise als
beschränkend
für den
Schutzumfang der vorliegende Erfindung gewertet werden. Sämtliche
Mengenanteile sind, sofern nicht anders lautend angezeigt, in Gewichtsprozent
angegeben.
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BEISPIEL
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Ein Verwirbelungsmaterial wurde auf
der Innenfläche
mehrerer Rohre aus rostfreiem Stahl angebracht. In jeder Ausprägung wurde
ein handelsübliches
foliengegossenes grünes
Hartlotband, nämlich Amdry®100,
verwendet (Zusammensetzung: 10 Gew.-% Silizium; 19 Gew.-% Chrom,
Rest Nickel). Das Band wies eine Dicke von etwa 75–125 μm auf und
wurde sehr dünn
mit einem organischen Klebstoff beschichtet. Als das Verwirbelungsmaterial
wurde ein grobes Bindungsschichtpulver aus NiCrAlY verwendet, mit
einer ungefähren
Zusammensetzung von 68 Gew.-% Ni, 22 Gew.-% Cr, 9 Gew.-% Al und
1 Gew.-% Y. Das Pulver wies eine 50–80 Maschen entsprechende durchschnittliche
Partikelgröße (mittleren
Durchmesser), d.h. 180–300 μm, und wurde
manuell auf der Oberfläche
des Hartlotbands aufgetragen. Für
einige der Proben wurde das Verwirbelungsmaterialpulver nach einem
Muster auf der Oberfläche des
Bandes aufgetragen.
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Jedes Band wurde in jeweils eines
der Rohre (Innendurchmesser 0,25 Zoll bzw. 0,64 cm) eingebracht.
Das Band wurde anschließend
innerhalb der Röhre
hartgelötet,
indem die Röhre
für etwa
30 Minuten in einem Vakuumofen plaziert wurde, der für Bedingungen
von etwa 2150°F
(1177°C
(105 Torr) sorgte. Das Hartlöten diente
dazu, das Verwirbelungsmaterial sicher mit der Innenfläche des
Rohrs zu verschmelzen.
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Das Verwirbelungsmaterial verlieh
der Innenfläche
des Rohrs eine raube Oberfläche.
Der Ra-Wert betrug etwa 2,7 tausendstel Zoll (68,6 μm), und der
Rz-Wert betrug etwa 13,5 tausendstel Zoll (343 μm). Dieses Rauheitsprofil dient
zur Verbesserung der Wärmeabfuhr
durch die Röhre.
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Nachdem bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können dem Fachmann alternative
Ausführungsbeispiele
klar werden, ohne dass dies den Schutzumfang dieser Erfindung berührt. Dementsprechend versteht
sich, dass der Schutzumfang dieser Erfindung lediglich durch die
beigefügten
Patentansprüche
beschränkt
sein soll.
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Sämtliche
der oben erwähnten
Patente, Veröffentlichungen
und Texte sind durch Bezugnahme mit aufgenommen.