DE2503285C2 - Verfahren zur Herstellung eines einstückigen thermisch hochbeanspruchten gekühlten Bauteils, insbesondere einer Schaufel für Turbinentriebwerke - Google Patents

Description

a) zunächst ein Teilkern mit der Form des Außen mantels des Bauteils aus duchgängig-porösem Keramikschaum mit daran angebrachten, nach innen weisenden Rippen (4a) aus kompaktem Keramikmaterial hergestellt wird,

b) der Teilkern in eine Spritzform eingesetzt wird und unter Verwendung von Ausschmelzwerkstoff ein Modell mit der endgültigen Form erzeugt wird,

c) das Modell mit Formmasse eingeformt wird,

d) der Ausschmelzwerkstoff ausgeschmolzen wird,

e) die entstandenen Formhohlräume mit dem endgültigen Werkstoff des Bauteils im Vakuum ausgegossen werden und

0 der Keramikteilkern mit chemischen Mitteln aus dem Bauteil herausgelöst wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen thermisch hochbeanspruchten gekühlten Bauteils, insbesondere einer Schaufel für Turbinentriebwerke, mit einem zentralen Stützkern aus Vollmaterial und mehreren strahlenförmig vom Stützkern nach außen ragenden kurzen Rippen, die ihrerseits einen den Stützkern konzentrisch umgebenden Außenmantel aus durchgängig-porösem Werkstoff tragen, nach dem Präzisionsverfahren unter Verwendung von verlorenen Modellen mit Keramikkernen.

Ein Präzisionsgießverfahren der vorstehend bezeich neten Gattung ist aus der DE-OS 23 01 105 bekannt. Beim vorbekannten Verfahren, welches mit Keramikkernen und Ausschmelzwachs arbeitet, sollen durch Gestaltung der Kernlager Metallhohlgußkörper innerhalb enger Toleranzbereiche hergestellt werden. Die hergestellten Gußteile bestehen jedoch vollständig aus kom paktem Material. Ein Hinweis auf die Erzeugung von porösen Gußteilen ist der vorgenannten Druckschrift nicht entnehmbar.

Da die Prozeßtemperaturen von thermischen Kraft maschinen, insbesondere Turbinentriebwerken, in jüngerer Zeit immer höher geschraubt wurden, sind Bauteile solcher Maschinen, insbesondere Turbinenschaufeln, mittels besonderer Kühleinrichtungen zu kühlen. Vorzugsweise erfolgt diese Kühlung dadurch, daß solche Bauteile mit porösen Oberflächen versehen werden, durch die aus einem inneren Hohlraum heraus ein Kühlmedium nach außen strömt und somit eine kühlende Grenzschicht an der Oberfläche des Bauteils ausbildet. Die praktische Anwendung dieser sogenannten Effusionskühlung ist bislang jedoch vor allem an der Schwierigkeit der Herstellung poröser hochwarmfester Schichten und deren Befestigung an einem tragenden Kern gescheitert. Aus der GB-PS 7 3! 161 ist eine effusionsgekühlte Turbinenschaufel bekannt, bei der die äußere

5 ooröse Deckschicht durch Aufsintern auf einen aus Vollmaterial bestehenden Kern erzeugt wurde. Durch dieses Verfahren ergibt sich eine klar definierte Grenzschicht zwischen Vollmatet ial und poröser Außenwand, was die Gefahr von Bindefehlern einschließt. Ein weite rer Nachteil besteht darin, daß bei einer Sinterung die Forderung nach gezielter Porosität (nämlich Durchgangsporosität) und hoher Festigkeit nur schwer miteinander zu vereinbaren ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver fahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit dem einerseits durch Erzeugung einer durchgingig porösen Außenwand eine hochwirksame Effusionskühlung erzielbar ist, andererseits hohe mechanische Festigkeit des Bauteils erzielt wird, wobei möglichst geringer ver fahrenstechnischer Aufwand notwendig sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) zunächst ein Teilkern mit der Form des Außenmantels des Bauteils aus durchgängig-porösem Kera mikschaum mit daran angebrachten, nach innen weisenden Rippen aus kompaktem Keramikmaterial hergestellt wird,

b) der Teilkern in einer Spritzform eingesetzt wird und unter Verwendung von Ausschmelzwerkstoff ein Modell mit der endgültigen Form erzeugt wird,

c) das Modell mit Formmasse eingeformt wird,

d) der Ausschmelzwerkstoff ausgeschmolzen wird,

e) die entstandenen Formhohlräume mit dem endgültigen Werkstoff des Bauteils im Vakuum ausgegos sen werden und

f) der Keramikteilkern mit chemischen Mitteln aus dem Bauteil herausgelöst wird.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, erst einen Kern aus Keramikschaum herzustellen, der die Negativform des gewünschten Bauteils darstellt, diesen Kern dann unter Vakuum mit dem Material des Bauteils zu umgießen, wobei dieses Material aufgrund der Durchgangsporosität des Keramikschaums diesen vollständig durchdringt und danach den aus Keramikschaum bestehenden Kern durch chemische Mittel vollständig aufzulösen, so daß nun die ehemaligen Stege des Keramikschaums Poren bzw. Hohlräume für die Kühlmittelführung bilden. Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das ganze Bauteil einstückig hergestellt wird, ohne aufgrund der Einstückigkeit etwa mechanische Bearbeitungsgänge für die Effusionsporen oder die Kühlmittel-Verteilungskanäle zu erfordern. Dadurch ist es möglich, eine sehr große Anzahl von Effusionsporen in dem Bauteil vorzusehen und gleichzeitig einen hochfesten Bauteilwerkstoff zu wählen, der einer mechanischen Bearbeitung so gut wie nicht zugänglich ist. Es lassen sich durch das erfindungsgemäße gleichzeitige Gießen von kompakten Kernen und porösem Außenmantel ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften, insbesondere hohe Biegewechselfestigkeit des Bauteils erzielen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgerräßen Verfahrens liegt darin, daß weitgehende Gestaltungsfreiheit bezüglich des Verlaufs der Kühlkanäle gegeben ist.

Anhand der Zeichnungen wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer

Turbinenschaufel erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Axialturbinenschaufel mit Effusionskühleinrichtung,

Fig.2 einen Keramikteilkern zur Herstellung einer Turbinenschaufel gemäß F i g. 1 und F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 2.

Die in F i g. 1 dargestellte Turbinenschaufel weist einen mit einer Mittelbohrung versehenen Schaufelfuß 1 und ein sich daran anschließendes Schaufeiblatt 2 auf. dessen Außenmantel 3 aus durchgängig-porösem Werkstoff besteht. Der poröse Außenmantel 3 wird von strahlenförmig sich an einen zentralen Stützkern 5 anschließenden kurzen Rippen 4 getragen. Zwischen den am zentralen Stützkesn 5 angeordneten Rippen 4 sind tangential zum Stützkern 5 verlaufende Kühlkanäle 6 gebildet, durch die ein durch die erwähnte Mittelbohrung im Schaufelfuß entsprechend den Pfeilrichtungen 7 eintretendes Kühlmittel über die gesamte Innenfläche des Außenmantels 3 gleichmäßig verteilt wird. Aufgrund der durchgängigen Porosität des AuCenmantels 3 dringt das Kühlmittel von den Kanälen 6 durch die Poren des Außenmantels bis zur Schaufelblattoberfläche vor, wo es eine kühlende Grenzschicht aufbaut. Die gesamte Schaufel einschließlich Schaufelfuß 1 und Schaufelblatt 2 ist einstückig gegossen, ohne daß Kühlkanäle oder Bohrungen mechanisch bearbeitet wären.

Der in F i g. 2 gezeigte Keramikteilkern stellt die Negativform für den Außenmantel einschließlich der Kühlkanäle 6 eines Schaufelblatts 2 entsprechend F i g. 1 dar. Dabei besteht der Außenmantel 3a des Kernes aus durchgängig-porösem Keramikschaum, der im wesentlichen aus dem Werkstoff Aluminiumoxyd hergestellt ist, während die Rippen Aa aus dem gleichen, jedoch kompakten Material bestehen und unmittelbar an der Innenfläche des Außenmantels 3a angeformt sind.

Fig.3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A aus F i g. 2. Nach Abschluß des Verfahrens durch den Verfahrensschritt / befinden sich an den Stellen der Keramikrippen 4a die Kühlkanäle 6 und an den Stellen der ehemaligen Keramikstege des Keramikschaums die von den Kühlkanälen 6 bis zur äußeren Oberfläche des Schaufelblatts 2 führenden Poren für die Effusionskühlung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung eines einstückigen thermisch hochbeanspruchten gekühlten Bauteils, insbesondere einer Schaufel für Turbinentriebwerke, mit einem zentralen Stützkern aus Vollmaterial und mehreren strahlenförmig vom Stützkern nach außen ragenden kurzen Rippen, die ihrerseits einen den Stützkern konzentrisch umgebenden Außenmantel aus durchgängig-porösem Werkstoff tragen, nach dem Präzistonsverfahren unter Verwendung von verlorenen Modellen mit Keramikkernen, d a -durch gekennzeichnet, daß