DE60300436T2 - Verfahren zur Herstellung von Einsätzen für dampfgekühlte und heissem Gasfluss ausgesetze Komponenten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Einsätzen für dampfgekühlte Komponenten in einer heißen Gasströmungsbahn.
• In luft- und dampfgekühlten Düsen sind Einsätze erforderlich, um eine Aufprallkühlung für Wände und Rippen von Schaufelblättern zu erzielen. Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Einsätzen verwenden Blechformungsvorgänge, einschließlich Schweißen und Hartlöten und eine elektrische Bearbeitung der Löcher mittels elektrischer Entladungen. Ein solches Verfahren ist z.B. in der EP 0974 735 beschrieben. Das Problem der im Stand der Technik bekannten Verfahren liegt darin, dass die großen komplizierten Einsätze in Kombination mit den zwingenden Abmessungstoleranzen zu 3D-Strukturen führen, die im Hinblick auf technische Spezifikationen nur eine sehr geringe Ausbringung ergeben. Dieses Problem wird durch das in dem Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
• Bei dem Verfahren werden die Einsätze mit enger Toleranz unter Benutzung irgendeines Gießverfahrens für den Keramikkern, bspw. Druckguss, Schleuderguss, Pressformguss oder Vakuumguss (auch als Gießen entgegen der Schwerkraft bekannt) gegossen. Gießen entgegen der Schwerkraft (Gegenschwerkraftgießen), wie es von der Hitchiner Manufacturing Co., Inc. in Milford, New Hampshire eingesetzt wird, verwendet Metallformen mit einem Vakuumeinguss, um das Anfüllen dünner Querschnitte des Gussstücks zu unterstützen und Porosität auszuschließen. Nach der Fertigstellung der Guss stücke wird das Kernmaterial während der nachfolgenden Bohrvorgänge als Träger benutzt. Schließlich wird der Kern durch Säureauslaugen entfernt, und die gegossenen Teile werden, falls erforderlich, gemäß den Oberflächenqualitätsspezifikationen bearbeitet. Mit dem Herstellungsverfahren werden bestimmte kommerzielle Anforderungen und Leistungsanforderungen erfüllt. Das Verfahren erleichtert z.B. die Herstellung komplizierter 3D-Einsatzgeometrien in einer Nickelbasis-Superlegierung mit dünnen Wänden und engen Toleranzen. Das Verfahren erlaubt außerdem ein maßgenaues und präzises Bohren der gegossenen Einsätze mit besseren Verarbeitungszeiten und -vorrichtungen.
• Außerdem löst das Verfahren die Probleme des Standes der Technik, indem es den Keramikkern bei dem Gießverfahren für den Einsatz als Unterstützung (Träger) für das Laserbohren benutzt. Die Laserlöcher erleichtern dann die Verwendung eines Auslaugmittels zur raschen Entfernung des Kernes, wodurch der Herstellungsprozess beschleunigt wird. Die Erfindung wird im Folgenden im größeren Detail beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
• 1 einen gegossenen Einsatz vor dem Laserbohren der Einsatzlöcher zeigt;
• 2 den gegossenen Einsatz nach 1, nach dem Laserbohren der Einsatzlöcher zeigt, wobei der Keramikkern aber noch an Ort und Stelle ist; und
• 3 den gegossenen und gebohrten Einsatz in einem Säurebad zur Entfernung des Keramikkerns veranschaulicht.
• Das Verfahren verwenden z.B. das Dünnwand-Gießverfahren nach Hitchiner, um die Geometrie des Einsatzes aus einem Wachsmodell herzustellen. Das Hitchiner-Verfahren ersetzt gebräuchlicheres Gießen, bspw. Eingießen unter Schwerkraft durch ein Gießen entgegen der Schwerkraft.
• Bei dem grundlegenden Feingießverfahren werden Wachsmodelle der jeweils gewünschten Gussstücke durch Spritzgießen hergestellt. Abhängig von der Größe der Gussstücke können mehrere Wachsmodelle an einem als Eingangskanal bezeichneten zentralen Wachsstab befestigt sein, so dass eine Gussstücktraube ausgebildet wird. Anschließend wird eine keramische Formschale um das Gussstück oder die aus den mehreren Wachsmodellen der gewünschten Gussstücke bestehende Gussstücktraube herum geformt. Als Nächstes werden die Keramik getrocknet und das Wachs ausgeschmolzen, wodurch ein Negativabdruck der Gussstücktraube in der keramischen Formschale erzeugt wird.
• Bei Verwendung des herkömmlichen Gießverfahrens wird die Formschale durch Schwerkraftguss mit geschmolzenem Metall gefüllt. Im Gegensatz dazu, wird bei dem der Gegenschwerkraftverfahren nach Hitchiner die keramische Formschale in ein Vakuum eingebracht und in eine heiße Metallschmelze eingetaucht, die dann rings um die keramische Gussstückanordnung und in diese hinein nach oben gesaugt wird. Nachdem das Metall auf der keramischen Formschale verfestigen lassen worden ist, wird das Vakuum aufgehoben und das restliche Metall fließt in die Schmelze zurück. 1 veranschaulicht schematisch einen gegossenen Einsatz 10 mit einem durch gestrichelte Linien angedeuteten Keramikkern 12 an Ort und Stelle. Außerdem ist die Laserbohrvorrichtung 14 vor dem Bohrvorgang veranschaulicht.
• Die gegossenen Einsätze sind vorzugsweise aus IN625 (Nickelbasis-Superlegierung) gegossen. Nachdem der jeweilige Einsatz in der gewünschten Geometrie gegossen ist, wird der Keramikkern nicht sofort ausgelaugt. Stattdessen wird das Gussstück in eine Vorrichtung eingesetzt, um bei noch an Ort und Stelle befindlichem Keramikkern Löcher mit Laser einzubohren. Die Gussstücktoleranzen sind so, dass eine Vorrichtung einen Produktionsablauf ohne viel Nacharbeit ausführen kann.
• Der Einsatz wird dann mit dem Keramikkern als Unterlage (Träger) lasergebohrt. Die Unterlage verhütet Rückwandausbrechungen und wirkt als Durchbohrdetektor. 2 veranschaulicht schematisch den Einsatz 10, nachdem mit der Laserbohrvorrichtung 14 sechzehn Löcher gebohrt worden sind. Nachdem die große Zahl Löcher (ungefähr 300 Löcher pro Einsatz) mit Laserpräzision durchgebohrt worden sind, wird der Keramikkern mit geeigneten Aetzmitteln herausgelaugt. 3 veranschaulicht schematisch wie der Keramikkern durch Untertauchen des gegossenen Einsatzes 10 in einem Säurebad 18 entfernt wird.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Verringerung der Zahl der Wärmebehandlungen, die das Teil im Vergleich zu der Bearbeitung nach dem gegenwärtigen Stand der Technik durchlaufen muss. Die Verringerung der Wärmebehandlungsvorgänge verringert auch das Maß der von Restspannungen hervorgerufenen Verformung und ergibt eine höhere Qualität. Die Erfindung erzeugt Einsätze und Prallplatten für Hardware für den Strömungsweg einer heißen Gasströmung auf einem höheren Qualitäts- und Ausbringungsniveau.
• Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als die brauchbarste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, so versteht sich doch, dass die Erfindung nicht auf die geoffenbarte Ausführungsform beschränkt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Formen von Einsätzen (10) für dampfgekühlte Komponenten in der heissen Gasströmungsbahn von einer Turbine, wobei das Verfahren enthält: Giessen der geometrischen Konfiguration des Einsatzes (10) und Laserbohren von Pralllöchern (16) in dem gegossenen Einsatz (10) ohne Entfernen eines keramischen Giesskerns (12) des gegossenen Einsatzes (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Laserbohren der keramische Giesskern (12) durch Laugen entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Giessen Druckgiessen aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Giessen Zentrifugalgiessen aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Giessen Pressgiessen aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Giessen Giessen entgegen der Schwerkraft aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die Einsätze (10) aus einer Nickelbasis-Superlegierung hergestellt sind.