DE2945531B1 - Turboschaufel mit einem Matellkern und einem Keramikblatt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Turboschaufel mit einem Metallkern und einem Keramikblatt.

Solche sogenannten metallkerngestützten Keramikschaufeln sind in einer Vielzahl von Bauformen bekannt, wozu beispielsweise auf die DE-PS 7 36 958 oder die DE-PS 8 48 883 hingewiesen wird. Üblicherweise stützt sich bei solchen Turboschaufeln das Keramikschaufelblatt radial nach außen auf einem innenliegenden Metallkern im Bereich der Schaufelspitze ab, um durch den Metallkern die aultretenden Fliehkräfte in die Rotorscheibe einzuleiten. Da der abstützende Kopf des Metallkerns und üblicherweise auch dessen Fuß einen größeren Querschnitt aufweisen muß als der freie Querschnitt des Keramikschaufelblatts, kann das Keramikschaufelblatt weder von der Kopfseite noch von der Fußseite des Metallkerns her auf diesen aufgeschoben werden. Vielmehr muß entweder der Metallkern zweiteilig ausgeführt sein oder es muß durch nachträgliche Formänderung des Metallkerns der Kopf mit verbreitertem Querschnitt angeformt werden, was z. B. durch nachträgliches Anstauchen, durch einen Schmie-

devorgang oder durch Befestigung eines Kopfteils mittels eines Fügeverfahrens wie Löten oder Schweißen möglich ist. In allen Fällen entstehen entweder in ihrer Qualität schwer kontrollierbare Verbindungen, die nicht genügend Bruchsicherheit aufweisen oder es muß die Gefahr einer Beschädigung des Keramikschaufelblatts bei der Umformung des Metallkerns in Kauf genommen werden. Ein weiteres Problem bei der Herstellung solcher Turboschaufeln mit Metallkern und Keramikblatt ist die Erzielung einer absolut gleichmäßigen Auflage des Keramikblatts am Kopf des Metallkerns, die unbedingt gewährleistet sein muß, um örtliche Spannungsspitzen in der Keramik und damit Bruchgefahr zu vermeiden.

In der GB-PS 7 83 710 ist eine heißgasberührte Turbinenschaufel mit einem Metallkern und einem Keramikblatt und einer durchgehend porösen Zwischenschicht für die Effusionskühlung beschrieben, bei der der Metallkern unlösbar mit dem Keramikblatt verbunden ist Diese Schaufel ist auf einem pulvermetallurgischen Weg durch einen Sinterprozeß hergestellt. Dieses Herstellverfahren für eine solche Turbinenschaufel ist insofern nicht optimal, als die erzielbare Festigkeit des Kerns, der Zwischenschicht bzw. des Schaufelblatts nicht oder nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand in engen Grenzen konstant gehalten werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe bei möglichst geringem Aufwand höchste mechanische als auch thermische Festigkeit einer Turboschaufel erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

a) das fertige Keramikblatt wird mit einer thermischen Isolierschicht, vorzugsweise aus Material hoher Elastizität ausgekleidet,

b) der Schaufelhohlraum wird mit einem Wachsausschmelzkern von der Kontur des gewünschten Meiallkerns versehen,

c) das Schaufelblatt mit dem Ausschmelzkern wird in eine Gießform eingebracht oder es wird eine Gießform durch mehrfaches Tauchen in einen keramischen Schlicker auf dem Keramikblatt erzeugt,

d) der Ausschmelzkern wird ausgeschmolzen und der entstehende Hohlraum mit Metall ausgegossen.

Durch die erfindungsgemäße Herstellung einer Turboschaufel mittels eines Gießverfahrens wird erreicht, daß eine absolut einwandfreie Auflage zwischen dem metallischen Schaufelkern vorzugsweise dessen Kopf und dem Keramikblatt besteht, da die Kontur des metallischen Schaufelkerns im Schmelzfluß an die Kontur des Keramikblatts angepaßt ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß jegliche Gefahr einer Beschädigung des Keramikblatts oder einer unsicheren Befestigung durch ein Fügeverfahren im Bereich des Schaufelkopfs vermieden wird. Es wird die erprobte und bekannte Gießtechnologie in unveränderter Form eingesetzt, was herstellungstechnisch von entscheidendem Vorteil ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die stärkere Schrumpfung des Metallkerns bei der Erstarrung und Abkühlung ein Spalt zwischen dem Keramikblatt und dem Metallkern entsteht, der zur thermischen Isolation des Metallkerns von Vorteil ist. Schließlich ist es

möglich, einfache Kuhlkanäle in den metallischen Kern mit einzugießen, so daß die gesamte Kühlkonfiguration einer erfindungsgemäßen Turboschaufel ohne zusätzlichen Aufwand herstellbar ist.

Die thermische Isolierschicht vermindert die Wärmeübertragung vom Schaufelblatt auf den Schaufelkern, indem vorzugsweise Wärmestrahlung vom Schaufelblatt zum Schaufelkern verhindert wird, indem jedoch auch zusätzlich eine verschlechterte Wärmeleitung stattfindet. Die hohe Elastizität der Isolierschicht client dazu, Stoiibelastungen zwischen Schaufelblatt und Schaufelkern aufzufangen.

Die Herstellung des fertigen Keramikblattes kann entweder in der Weise erfolgen, daß das Keramikblatt zunächst als Hohlkörper vorhanden ist, in den der Ausschmelzwerkstoff in einer geeigneten Vorform eingegossen wird. Es kann jedoch auch der umgekehrte Weg gewählt werden, indem zunächst der Ausschmelzkern hergestellt wird und auf diesem dann etwa im Schlickergußverfahren das Keramikblatt.

Bevorzugt werden bei erfindungsgemäßen Verfahren als Keramikwerkstoffe S13N4 heißgepreßt oder reaktionsgesintert, SiC oder Si infiltriertes SiC verwendet.

Bei der Auswahl des Materials für die Isolierschicht muß darauf geachtet werden, daß zwischen der Isolierschicht und dem Keramikblatt oder dem Metallkern während des Gießprozesses oder auch bei Betriebstemperatur keine chemischen Reaktionen auftreten. Vorzugsweise soll deshalb die Isolierschicht eine filzartige Aufschlemmung aus AI2O3 oder aus ZrO-Fasern sein. Auch Schaumkeramik oder mit kleinen Hohlkugeln gefüllte Keramik ist bevorzugt anwendbar. Schließlich sind ganz allgemein schlecht wärmeleitende Keramiken, wie Aluminiumtitanat, Magnesium-Aluminiumsilikat oder Lithium-Aluminiumsilikat als Isolierzwischenschicht geeignet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Turboschaufel im Längsschnitt dargestellt. Dabei ist das Keramikblatt der Schaufel mit 1 bezeichnet, der Metallkern mit einem verbreiterten Kopf und einem Tannenbaumfuß trägt das Bezugszeichen 3. Das Schaufelblatt 1 stützt sich radial nach außen am Kopf des Metallkerns 3 ab. Zwischen dem Keramikblatt 1 und dem Schaufelkern 3 ist eine Isolierschicht 5 eingegossen. Der Schaufelkern 3 weist Kühlkanäle 4 auf. Die komplette Schaufel ist in einer Feingußform 2 eingebettet dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Turboschaufel mit einem Metaükern und einem Keramikblatt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) das fertige Kerarr.ikblatt wird mit einer thermischen Isolierschicht, vorzugsweise aus Material hoher Elastizität ausgekleidet,

b) der Schaufelhohlraum wird mit einem Wachsausschmelzkern von der Kontur des gewünschten Metallkerns versehen,

c) da: Schaufelblatt mit dem Ausschmelzkern wird in eine Gießform eingebracht oder es wird eine Gießform durch mehrfaches Tauchen in einen keramischen Schlicker auf dem Kerainikblatt erzeugt,

d) der Ausschmelzkern wird ausgeschmolzen und der entstehende Hohlraum mit Metall ausgegossen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von S13N4 oder SiC oder Si infiltriertem SiC als Keramikwerkstoff.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer filzartigen Aufschlemmung aus AI₂Oj als thermische Isolierschicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer filzartigen Aufschlemmung aus ZrO-Fasern als thermische Isolierschicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Schaumkeramik oder mit kleinen Hohlkugeln gefüllter Keramik als thermische Isolierschicht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von schlecht wärmeleitender Keramik, wie Aluminiumtitanat, Magnesium-Aluminiumsilikat oder Lithium-Aluminiumsilikat als thermische Isolierschicht.