DE112008003545T5

DE112008003545T5 - Gießverfahren für Turbinenschaufelblätter

Info

Publication number: DE112008003545T5
Application number: DE112008003545T
Authority: DE
Inventors: Todd Jay Maineville Rockstroh; Sudhir K. West Chester Tewari; Joseph Giancario Morrow Sabato; Donald Brett Maiden Desander; Mark Douglas Hamilton Gledhill; David Henry Mason Abbott
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-12-09
Also published as: GB2468083A; CA2709940A1; JP2011509185A; GB201010159D0; WO2009085654A1; US20090165988A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufelblattes mit den Schritten:
(a) Bereitstellen einer Form mit:
(i) einem Kern;
(ii) einer den Kern umgebenden Außenschale in solcher Weise, dass der Kern und die Außenschale zusammen einen Hohlraum in der Gestalt eines Schaufelblattes mit wenigstens einer Außenwand definieren; und
(iii) einer Kernabstützung, die sich aus dem Kern zu der Außenschale hin durch einen Abschnitt des Hohlraums erstreckt, der die wenigstens eine Seitenwand definiert;
(b) Einbringen einer geschmolzenen Metalllegierung in den Hohlraum und um die Kernabstützung herum;
(c) Verfestigen der Legierung, um ein Schaufelblatt-Gussteil mit wenigstens einer Außenwand auszubilden, welche wenigstens eine dadurch verlaufende Kernabstützung hat;
(d) Entfernen der Form, um das Schaufelblatt freizulegen; und
(e) Verschließen der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung in dem Schaufelblatt mit einer mit der wenigstens einen Außenwand metallurgisch verbundenen Metalllegierung.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Gasturbinentriebwerkskomponenten und insbesondere Verfahren zum Gießen hohler Turbinenschaufelblätter.
Gegossene Turbinenschaufelblätter für moderne Gasturbinentriebwerke haben interne Formmerkmale, die eine Herausforderung für die Fähigkeit derzeitiger Gießtechnologien darstellen. Die Gussteile erfordern komplexe Keramikkerne zur Ausbildung der internen Strukturen und diese Kerne sind während des Gießvorgangs zerbrechlich. Die Folge ist, dass Gießausbeuten von 50 Prozent bis 70 Prozent nicht unüblich sind. Die 30 bis 50 Prozent Gießschrott addieren zu den Kosten der verwendbaren Gussteile.
Das Problem wird durch exotische Legierungen wie z. B. Kristallmaterialien vergrößert, welche die Kosten für das Gießen eines Teils und somit die durch die Verschrottung von Hardware verursachten Kosten nach oben treiben. Wenn lediglich eine Gießausbeutenverbesserung von 5 Prozent 10 Prozent erzielt werden kann, liegt die Auswirkung für jedes Gasturbinentriebwerk auf Stückzahlbasis im Bereich von Millionen Dollar pro Jahr.
Eine grundlegende Einschränkung beim Gießen besteht darin, dass der Keramikkern, der die interne Struktur des Schaufelblattes ausbildet, nur durch den unteren (d. h., den Fuß-)Abschnitt befestigt werden kann, während der Großteil des Kerns innerhalb der Gießform ”schwimmt”. Die Kräfte des geschmolzenen Metalls und die thermisch induzierten Kräfte während des Abkühlungs- und Verfestigungszyklusses führen zu einer (als ”Kernverschiebung” bezeichneten) Bewegung und/oder einem Bruch des Keramikkerns. Die Bewegung kann dergestalt sein, dass die gegossene Komponente die Entwurfsanforderungen nicht mehr erfüllt, indem sie beispielsweise die minimalen Gießteilwanddicken nicht erreicht. Wenn der Kern während des Gießvorgangs bricht, hat dieses ebenfalls zur Folge, dass die Komponente die Anforderungen nicht erfüllt.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Nachteile des Stands der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behandelt, die ein Verfahren zur Unterstützung eines Schaufelblattkerns während des Gießvorgangs schafft, während gleichzeitig die metallurgische Integrität der fertiggestellten Komponente beibehalten wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufelblattes die Schritte: (a) Bereitstellen einer Form mit: (i) einem Kern; (ii) einer den Kern umgebenden Außenschale dergestalt, dass der Kern und die Außenschale zusammen einen Hohlraum in der Gestalt eines Schaufelblattes mit wenigstens einer Außenwand definieren; und (iii) einer Kernabstützung, die sich aus dem Kern zu der Außenschale durch einen Abschnitt des Hohlraums erstreckt, der die wenigstens eine Seitenwand definiert; (b) Einbringen einer geschmolzenen Metalllegierung in den Hohlraum und um die Kernabstützung herum; (c) Verfestigen der Legierung, um ein Schaufelblatt-Gussteil mit wenigstens einer Au ßenwand auszubilden, welche wenigstens eine durch sie verlaufende Kernabstützung hat; (d) Entfernen der Form, um so das Schaufelblatt freizulegen; und (e) Verschließen der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung in dem Schaufelblatt mit einer mit der wenigstens einen Außenwand metallurgisch verbundenen Metalllegierung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren ersichtlich, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebauten exemplarischen Turbinenschaufel ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines bei dem Gießvorgang der in 1 dargestellten Schaufel verwendeten Formkerns mit einer darin angeordneten Kernabstützung ist;
3 eine weitere perspektivische Ansicht des Formkerns von 2 ist;
4 eine Teilquerschnittsansicht einer zusammengebauten Form ist;
5 eine Querschnittsansicht der Form von 4 mit einem Teil eines Schaufel-Gussteils darin ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer gerade gegossenen Turbinenschaufel ist, welche eine von einer Kernabstützung hinterlassene Öffnung enthält;
7 eine weitere perspektivische Ansicht der Turbinenschaufeln von 6 ist;
8 eine Teilquerschnittsansicht der Turbinenschaufel entlang der Linien 8-8 von 7 ist;
9 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 9-9 von 1 ist; und
10 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Schließen der Kernabstützungsöffnung in der Turbinenschaufel ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine exemplarische Turbinenschaufel 10 dar. Die Turbinenschaufel 10 enthält einen herkömmlichen Schwalbenschwanz 12, der jede geeignete Form mit Keilzapfen haben kann, die in komplementäre Keilzapfen eines Schwalbenschwanzschlitzes in einer (nicht dargestellten) Rotorscheibe eingreifen, um das Schaufelblatt 10 an der Scheibe bei dessen Rotation während des Betriebs radial festzuhalten. Ein Schaufelschaft 14 erstreckt sich radial aus dem Schwalbenschwanz 12 nach oben und endet in einer Plattform 16, die seitlich nach außen aus dem Schaft 14 vorsteht und diesen umgibt. Ein hohles Schaufelblatt 18 erstreckt sich radial aus der Plattform 16. Das Schaufelblatt 18 hat eine konkave Druckseiten-Außenwand 20 und eine konvexe Saugseiten-Außenwand 22, die miteinander an einer Vorderkante 24 und an einer Hinterkante 26 verbunden sind. Das Schaufelblatt 18 kann jede geeignete Konfiguration für die Extraktion von Energie aus dem heißen Gasstrom und zur Bewirkung der Drehung der Rotorscheibe annehmen. Die Schaufel 10 wird bevorzugt als ein einteiliges Gussteil aus einer geeigneten ”Superlegierung” bekannten Typs, wie z. B. einer auf Nickel basierenden Superlegierung (z. B. Rene 80, Rene 142, Rene N4, Rene N5) ausgebildet, welche eine annehmbare Festigkeit bei den erhöhten Betriebstemperaturen in einem Gasturbinentriebwerk hat. Das Schaufelblatt 18 besitzt einen Fuß 25 und eine Spitze 27 und enthält eine Anzahl von Hinterkantenauslasslöchern 28.
Das Innere der Turbinenschaufel 10 ist meistens hohl und enthält eine Anzahl interner Kühleinrichtungen bekannten Typs, wie z. B. Wände, die Turbinenkanäle definieren, Rippen, Turbulenz erzeugende Elemente (”Turbulatoren”) usw. Obwohl die Turbinenschaufel 10 eine Hochdruckturbinenschaufel ist, treffen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf jede Art von Schaufelblatt mit einem hohlen Innenraum zu.
Komponenten wie die Turbinenschaufel 10 werden unter Einsatz eines bekannten Modellausschmelzprozesses hergestellt. Das Verfahren beinhaltet die Ausgestaltung der Turbinenschaufel in Wachs durch Umhüllen eines herkömmlichen auf Aluminiumdioxid oder Siliziumdioxid basierenden Keramikkerns, welcher interne Kühlkanäle definiert. Die Wachsanordnung wird dann einer Reihe von Eintauchvorgängen in eine flüssige Keramiklösung unterzogen. Das Teil lässt man nach jedem Eintauchen trocknen, um eine harte Außenschale typischerweise eine herkömmliche keramische Schale auf Zirkoniumoxidbasis zu erzeugen. Nachdem alle Eintauchvorgänge abgeschlossen sind und die Wachsanordnung von mehreren Schichten einer gehärteten Keramikschale eingeschlossen ist, wird die Anordnung in einem Ofen platziert, in welchem das Wachs in der Schale ausgeschmolzen wird.
Nach der Wachsentfernung weist die Form den von der äußeren Keramikschale umgebenen internen Keramikkern auf. Der Hohlraum zwischen dem Kern und der Außenschale definiert die Komponente und ihre Innenmerkmale. Die Form wird nochmals in dem Ofen platziert und flüssiges Metall in eine Öffnung an der Oberseite der Form eingegossen. Das geschmolzene Metall tritt in den Raum zwischen dem Keramikkern und der Keramikschale, der zuvor mit dem Wachs gefüllt war, ein. Nach Abkühlung und Verfestigung des Metalls wird die Außenschale zerbrochen und entfernt und damit das Gussteil freigelegt, welches die Gestalt des durch die Entfernung des Wachses angenommenen Hohlraums angenommen hat, und welches den internen Keramikkern einschließt. Das Gussteil wird dann in einen Auslaugungsbehälter gelegt, wo der Kern aufgelöst wird. Die Komponente hat nun die Gestalt der Wachsform und eines Innenhohlraums, welcher zuvor durch den internen Keramikkern gefüllt war.
Die relativen Wärmeausdehnungen der keramischen Außenschale und des Keramikkernmaterials sind unterschiedlich, sodass, nachdem das Metall gegossen wurde und abkühlen konnte, die relative Schrumpfung der Schalen- und Kernkomponenten unterschiedlich ist. Dieses kann variierende Wanddicken an Bereichen des Metallschaufelblattteils bewirken, wo eine Seite der Wand durch die Außenschale definiert ist und die andere Seite der Wand mit dem Innenkern in Eingriff steht. Ferner lässt man typischerweise den Kern ”schwimmen” und somit kann er seine Position in Bezug zu der Außenschale während des Gießprozesses verändern. Dieses kann bewirken, dass die Wände einer Komponente, wie z. B. eines Schaufelblattes, eine kleinere als eine erforderliche minimale Dicke haben.
Um eine Kernverschiebung zu verhindern, wird die Turbinenschaufel 10 mittels einer Modifikation des vorstehenden Prozesses, welcher eine oder mehrere Kernabstützungen enthält, gegossen. 2 und 3 sind Ansichten vor dem Gießen eines Kerns 30 mit einer darin aufgenommenen Kernabstützung 32. Eine umgebende Außenschale 34 weist erste und zweite Seitenwände 34A und 34B gemäß Darstellung in 4 auf. 4 stellt ebenfalls die Kernabstützung 32 dar, die der Reihe nach die erste Seitenwand 34A, einen ersten Abschnitt 36 der Wachsfüllung, den Kern 30, einen zweiten Abschnitt der Wachsfüllung 38 und die zweite Seitenwand 34B durchdringt.
In dem dargestellten Beispiel nimmt die Kernabstützung 32 die Ausführungsform einer Stange mit rundem Querschnitt an wobei jedoch andere Querschnittsgestaltungen zur Anpassung an eine spezielle Anwendung verwendet werden können.
Die Kernabstützung 32 ist aus einem geeigneten Material mit einem höheren Schmelzpunkt als dem der für die Turbinenschaufel 10 verwendeten Legierung aufgebaut, welche eine bekannte auf Nickel oder Kobalt basierende ”Superlegierung” sein kann. Beispiele von geeigneten Kernabstützungsmaterialien umfassen geschmolzenen Quarz oder eine Keramik wie z. B. Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Samariumoxid (Sm₂O₃), wie sie auch zur Herstellung des Kerns 30 verwendet werden.
Die Kernabstützung 32 verbleibt während des Gießvorgangs an Ort und Stelle und widersteht der Bewegung des Kerns 30 während des Gießens und während der Verfestigung. Obwohl eine beliebige Anzahl von Kernabstützungen 32 verwendet werden und an einer beliebigen Stelle platziert werden kann, ist es vorteilhaft, den Kern 30 in einem in 2 mit ”A” bezeichneten Bereich, welcher das Schaufelblatt 18 definiert, zu unterstützen. Dieser Bereich des Kerns 30 ist normalerweise ein nicht unterstützter Abschnitt des Kerns 30 und befindet sich in einem erheblichen Abstand von dem Teil des Kerns 30, welcher den Schaufelschaft 14 definiert. Die Unterstützung des Kerns trägt dazu bei, den Kern/Außenschalen-Abstand ”S” einzuhalten, welcher direkt die Außenwanddicke der fertiggestellten Turbinenschaufel 10 beeinflusst.
5 ist ein Teilquerschnitt nach dem Gießen, welcher die Kernabstützung 32 darstellt, die der Reihe nach die erste Seitenwand 34A der Außenschale 34, die Druckseiten-Außenwand 20 der Turbinenschaufel 10, den Kern 30, die Saugseiten-Außenwand 22 der Turbinenschaufel 10 und die zweite Seitenwand 34B der Außenschale 34 durchdringt.
6–8 stellen die Turbinenschaufel 10 nach dem Gießvorgang und Entfernen der Außenschale 34, des Kerns 30 und der Kernabstützung 32 dar. Die Turbinenschaufel 10 enthält Kernabstützungsöffnungen 40 und 42 in den Druck- und Saugseiten-Außenwänden 20 bzw. 22. Die Kernabstützungsöffnungen 40 und 42 müssen verschlossen werden, bevor die Turbinenschaufel 10 einsetzbar ist. Obwohl es möglich ist, diese unter Anwendung von Hartlöttechniken zu verschließen, ist dieses keine metallurgische Verbindung und hat auch nicht dieselben Eigenschaften wie die Basisturbinenschaufel 10, welche eine richtungsverfestigte oder eine Kristallmikrostruktur besitzt, welche ihm eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit verleiht.
Ein Beispiel einer geeigneten Vorrichtung zum Verschließen der Kernabstützungsöffnungen 40 und 42 ist in dem dem Zessionar dieser Erfindung übertragenen U.S. Patent No 5,622, 638 für Schell et. al., offenbart und ist schematisch in 10 dargestellt. Die Vorrichtung enthält einen Laser 44, einen umschlossenen Strahlzuführungskanal 46, eine Laserfokussierungsoptik 48, ein Teilepositionierungssystem 50, ein Betrachtungssystem 52 zur Teilelokalisierung und Laserpfadsteuerung, eine (nicht dargestellte) optionale Vorheizbox und ein Pulverzuführungssystem 54 in einem Pulverrohr 56. Der Betrieb und die Koordination der einzelnen Teile der Vorrichtung werden durch eine computerisierte Systemsteuerung 58 gesteuert. In einer herkömmlichen Weise tritt das Pulver in den Laserstrahl in unmittelbarer Nähe zu der Schaufel 10 während deren Manipulation ein, um ein Schmelzen und Auftragsschweißen zu bewirken.
Die Kernabstützungsöffnungen 40 und 42 können unter Anwendung dieser Vorrichtung verschlossen werden, um geschmolzenes Legierungspulver in einem oder mehreren Durchgängen abzuscheiden. Alternativ kann Pulver abgeschieden und dann erhitzt werden, um es zu schmelzen und mit dem Schaufelblatt 18 zu verschmelzen. In jedem Fall ist die Pulverlegierungszu sammensetzung im Wesentlichen dieselbe wie die der Basisturbinenschaufel 10. Dieser manchmal als ”Umkehrbearbeitung” bezeichnete Vorgang erzeugt einen Stopfen oder einen Flecken, der metallurgisch mit den Kernabstützungsöffnungen 40 und 42 verbunden ist und effektiv eine integrierte Struktur mit dem Turbinenschaufelblatt 10 ausbildet. Unter geeigneter Steuerung der Prozessparameter kann dieser Prozess dieselbe Mikrostruktur in dem Stopfen oder Flecken (z. B. richtungsverfestigt oder Einkristall) wie die der Turbinenschaufel 10 erzeugen. Die fertiggestellte Turbinenschaufel 10 ist in den 1 und 9 dargestellt. Dieser Prozess führt wegen der Verhinderung der Kernverschiebung zu wesentlich höheren Gießausbeuten, während gleichzeitig die gewünschten Hochtemperatureigenschaften der Turbinenschaufel 10 erhalten bleiben.
Vorstehend wurde ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinentriebwerks-Schaufelblättern beschrieben. Obwohl spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, wird es für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein, dass verschiedenen Modifikationen daran ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung ausgeführt werden können. Demzufolge ist die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und der besten Ausführungsart der Erfindung nur für den Zweck der Darstellung und nicht für den Zweck einer Einschränkung gedacht.
Zusammenfassung
Ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufelblattes beinhaltet die Schritte: (a) Bereitstellen einer Form mit: (i) einem Kern; (ii) einer den Kern umgebenden Außenschale dergestalt, dass der Kern und die Außenschale zusammen einen Hohlraum in der Gestalt eines Schaufelblattes mit wenigstens einer Außenwand definieren; und (iii) einer Kernabstützung, die sich aus dem Kern zu der Außenschale durch einen Abschnitt des Hohlraums erstreckt, der die wenigstens eine Seitenwand definiert; (b) Einbringen einer geschmolzenen Metalllegierung in den Hohlraum und um die Kernabstützung herum; (c) Verfestigen der Legierung, um ein Schaufelblatt-Gussteil mit wenigstens einer Außenwand auszubilden, welche wenigstens eine dadurch verlaufende Kernabstützung hat; (d) Entfernen der Form, um so das Schaufelblatt freizulegen; und (e) Verschließen der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung in dem Schaufelblatt mit einer mit der wenigstens einen Außenwand metallurgisch verbundenen Metalllegierung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5622638 [0029]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufelblattes mit den Schritten: (a) Bereitstellen einer Form mit: (i) einem Kern; (ii) einer den Kern umgebenden Außenschale in solcher Weise, dass der Kern und die Außenschale zusammen einen Hohlraum in der Gestalt eines Schaufelblattes mit wenigstens einer Außenwand definieren; und (iii) einer Kernabstützung, die sich aus dem Kern zu der Außenschale hin durch einen Abschnitt des Hohlraums erstreckt, der die wenigstens eine Seitenwand definiert; (b) Einbringen einer geschmolzenen Metalllegierung in den Hohlraum und um die Kernabstützung herum; (c) Verfestigen der Legierung, um ein Schaufelblatt-Gussteil mit wenigstens einer Außenwand auszubilden, welche wenigstens eine dadurch verlaufende Kernabstützung hat; (d) Entfernen der Form, um das Schaufelblatt freizulegen; und (e) Verschließen der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung in dem Schaufelblatt mit einer mit der wenigstens einen Außenwand metallurgisch verbundenen Metalllegierung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (e) ausgeführt wird durch: (a) Schmelzen eines Legierungspulvers unter Anwendung von Laserenergie; (b) Einbringendes geschmolzenen Pulvers in die wenigstens eine Kernabstützungsöffnung; und (c) Zulassen der Abkühlung und Verfestigung des geschmolzenen Pulvers in der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Legierungspulver eine Zusammensetzung hat, die im Wesentlichen dieselbe wie eine Legierungszusammensetzung des Schaufelblattes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (e) ausgeführt wird durch: (a) Einbringen eines Legierungspulvers in die wenigstens eine Kernabstützungsöffnung; (b) Anwenden von Laserenergie, Schmelzen des Legierungspulvers und Erwärmen der Außenwand; und (c) Zulassen der Abkühlung und Verfestigung des geschmolzenen Pulvers in der wenigstens einen Kernabstützungsöffnung.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Legierungspulver eine Zusammensetzung hat, die im Wesentlichen dieselbe wie eine Legierungszusammensetzung des Schaufelblattes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt eine richtungsverfestigte oder Einkristall-Mikrostruktur hat und das verfestigte Pulver in der wenigstens einen Kernabstüt zungsöffnung im Wesentlichen dieselbe Mikrostruktur wie das Schaufelblatt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernabstützung eine zylindrische Stange ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernabstützung geschmolzenen Quarz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form aufweist: (i) einen Kern; und (ii) eine den Kern umgebende Außenschale, wobei die Außenschale zwei in Abstand angeordnete Seitenwände hat, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns angeordnet sind; und (iii) eine Kernabstützung, die sich von einer der Seitenwände der Außenschale, durch den Kern hindurch, zu der anderen Seitenwand der Außenschale erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Schaufelblatt in Abstand angeordnete Druck- und Saugseiten-Außenwände mit jeweils einer Kernabstützungsöffnung darin hat, wobei die Kernabstützungsöffnungen zueinander koaxial sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form eine das Schaufelblatt und einem Schaft enthaltende einteilige Turbinenschaufel definiert, wobei das Schaufelblatt und der Schaft jeweils gegenüberliegende Enden der Turbinenschaufel definieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kernabstützung in dem Schaufelblatt an einen dem Schaft gegenüberliegenden Ende der Turbinenschaufel positioniert ist.