DE69309985T2 - Verfahren zur Herstellung einer Kern/Muster-Kombination für die Produktion von Schaufeln oder Teilen von Gasturbinen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer geschmolzenen Kern/Modell-Kombination für eine Gußschaufel bzw. ein -teil einer Gasturbine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie beispielsweise aus der US-A 4 863 538 bekannt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kern/Modell-Kombination für eine Gußschaufel oder für -teile einer Gasturbine durch aufeinanderfolgendes Zusammenschmelzen von Keramikpulverbereichen zu einer Kernschicht und daran angrenzend Auftragen von Wachs oder Kunststoff, und zwar so, daß Schicht für Schicht ein Bereich des Modells aufgebaut und auf diese Weise eine Kern/Modell-Kombination hergestellt wird.
• Zur Herstellung von Keramikkernen, die sich zur Fertigung von Gußschaufeln einer Gasturbine eignen, sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei diesen Verfahren aus dem Stand der Technik wird ein Schritt zum Überziehen des Keramikkerns mit einer Schutzschicht, wie z.B. einem Epoxid- oder Phenolharz, eingeschaltet, um ein Auseinanderbrechen des sehr zerbrechlichen Kerns bei der Handhabung zu verhindern. Eine Schutzschicht ist jedoch deshalb unerwünscht, weil hierdurch keine nachträgliche mechanische Bearbeitung am Kern, wie z.B. Anbringen von Feindetails oder von Bohrlöchern im Kern, durchgeführt werden kann. Danach wird der Kern zur Bildung eines Modells der zu gießenden Schaufel bzw. des zu gießenden Teils durch Spritzgießen mit Wachs oder Kunststoff überzogen. Diese Schritte sind aufwendig und zeitraubend.
• Aus diesem Grund wäre die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Schaufel oder eines Teils einer Gasturbine mittels eines einfachen Verfahrens, bei dem keine Keramikkern- oder Wachsmodellformen hergestellt werden müssen und bei dem man ohne Handhabung des Kerns in einem leicht zerbrechlichen Zustand und ohne den Spritzgußschritt zur Bildung eines Modells um den Kern herum auskommt, wünschenswert.
• Ein Verfahren zur Herstellung einer Kern/Modell-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegten Merkmale gekennzeichnet.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kern/Modell-Kombination, bei dem der Kern eine Konfiguration aufweist, die dem hohlen Abschnitt einer Schaufel oder eines Teils einer Gasturbine entspricht, und das Modell eine Konfiguration aufweist, die der Schaufel oder dem Teil entspricht. Die erfindungsgemäßen Schritte umfassen aufeinanderfolgendes Zusammenschmelzen von mehreren Keramikpulverbereichen zu einem Kernabschnitt und daran angrenzend bereichsweise Aufschmelzen von Wachs- bzw. Kunststoffpulver, und zwar so, daß Schicht für Schicht einen Abschnitt des Modells aufgebaut wird und auf diese Weise eine Kern/Modell-Kombination hergestellt wird. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschmolzenen Kerns oder Modells, der bzw. das Teilbereiche mit einer Stärke von weniger als 0,508 mm (0,02 Zoll) aufweist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Gasturbinenschaufel mittels einer Schmelzlegierung bei Temperaturen, die im Bereich von etwa 649ºC (1200ºF) bis etwa 1815,5ºC (3300ºF) liegen.
• Wie oben erwähnt ist ein Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kern/Modell-Kombination durch aufeinanderfolgendes Zusammenschmelzen von Bereichen aus Keramikmaterial (oder -pulver) und Bereichen aus Wachs- oder Kunststoffpulver, und zwar so, daß diese Bereiche Schicht für Schicht aufgebaut und auf diese Weise eine Kern/Modell- Kombination hergestellt werden. Vorzugsweise werden die Pulverschichten durch Führen eines Laserstrahls über aufeinanderfolgende Pulverschichten, aus u.a. Quarz, zusammengeschmolzen. Die Laserverschmelzung des pulverisierten Materials gelingt mittels eines im US-Patent Nr. 4 863 538 beschriebenen geeigneten Geräts und Betriebsverfahren, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Das Zusammenschmelzen der Pulverschichten läßt sich durch eine auf vorgegebene Pulvermodelle gerichtete Wellenenergie erreichen. Zu solcher Wellenenergie zählen auch Elektronenstrahlen.
• Gemäß der Beschreibung der US-PS 4 863 538 umfaßt ein im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung einsetzbares Gerät einen Laser oder eine sonstige Quelle gerichteter Energie, mit der wahlweise ein Strahl auf eine Targetfläche, wo ein Fertigteil hergestellt werden soll, gerichtet werden kann. Mittels eines Pulverausgabesystems wird Pulver auf der Targetfläche aufgetragen. Mittels einer Steuermechanik kann man wahlweise durch Sintern oder Schmelzen lediglich des innerhalb enger Grenzen vorliegenden Pulvers die gewünschte Schicht des Teils herstellen. Die Steuermechanik führt den Laser derart, daß aufeinanderfolgende Schichten des Pulvers selektiv gesintert oder geschmolzen werden und hierbei das aus mehreren zusammengesinterten bzw. -geschmolzenen Schichten bestehende Fertigteil entsteht. Jede Schicht hat definierte Grenzen, die den jeweiligen Querschnittsbereichen des Teils entsprechen. Zur Ermittlung der definierten Grenzen jeder Schicht kann in die Steuermechanik ein Computer, wie z.B. eine CAD-/CAM-Anlage eingebaut sein. Auf der Basis der Gesamtabmessungen und der Konfiguration des herzustellenden Teils berechnet der Computer die definierten Grenzen jeder Schicht und betätigt eine Lasersteuermechanik gemäß den definierten Grenzen.
• In der Lasersteuermechanik können Mittel eingebaut sein, die den Laserstrahl auf die Targetfläche richten, sowie Mittel zur Modulierung des Laserstrahls zwischen Ein- und Aus- Positionen oder Verschlußmittel zum selektiven Sintern oder Schmelzen des Pulvers in der Targetfläche, um auf Wunsch verschiedene Konfigurationen herzustellen. Das Laserstrahlziel kann durch die Führungsmechanik so bewegt werden, daß eine kontinuierliche Rasterabtastung der Targetfläche erfolgt. Der Laserstrahl wird durch eine Moduliermechanik so ein- oder ausgeschaltet, daß das Pulver nur dann gesintert oder geschmolzen wird, wenn sich das Laserstrahlziel innerhalb der definierten Grenzen für die jeweilige Schicht aufhält. Die Führungsmechanik kann das Laserstrahlziel nur innerhalb der definierten Grenzen für die jeweilige Schicht bewegen, wodurch der Laserstrahl eingeschaltet bleiben und das Pulver innerhalb der definierten Grenzen der jeweiligen Schicht versintern kann.
• Der Laserstrahl kann mittels galvanometerbewegter Spiegel durch die Führungsmechanik in eine entsprechende Rasterabtastung der Targetfläche bewegt werden. Der Laserstrahl kann durch einen ersten Spiegel auf einen zweiten Spiegel reflektiert werden, der ihn auf das Target reflektieren kann. Durch die Bewegung des galvanometerbewegten ersten Spiegels verschiebt sich der Laserstrahl im allgemeinen in einer Richtung in der Targetfläche. Durch die Bewegung des galvanometerbewegten zweiten Spiegels verschiebt sich der Laserstrahl in einer zweiten Richtung in der Targetfläche. Die Spiegel sind relativ zueinander so orientierbar, daß die erste zur zweiten Richtung im allgemeinen senkrecht zueinander steht. Durch diese Anordnung sind vielerlei Arten von Abtastmustern des Laserstrahls in der Targetfläche möglich, einschließlich einem Rasterabtastmuster.
• Die Pulverausgabe kann durch Einsatz einer Eingrenzstruktur zur Außenumfangsumschreibung jeder Schicht erleichtert werden. Jede Schicht kann durch eine separate Eingrenzstruktur umschrieben sein oder das Gesamtteil kann durch eine Einzeleingrenzstruktur umschrieben sein. Werden in einer jeweiligen Schicht Durchgänge oder Hohlräume gewünscht, sind diese dadurch erhältlich, daß das Pulver in dem Bereich für den Hohlraum oder Durchgang einfach nicht gesintert oder geschmolzen wird. Nachdem die selektiven Schichtabschnitte geschmolzen worden sind, kann das lose Pulver zur Umschreibung des Hohlraums oder Durchgangs weggebürstet oder -geblasen werden. Ein Durchgang oder Hohlraum kann auch dadurch umschrieben werden, daß man auf der zuletzt geschmolzenen Schicht an der Hohlraums- oder Durchgangsstelle ein andersartiges Material aufbringt, dann die nächste lose Pulverschicht um die Einlage herum aufträgt und anschließend das Pulver schmelzt. Die Einlage sollte vorzugsweise aus solch einem Material bestehen und so angeordnet sein, daß sie nach dem Zusammenschmelzen des Pulvers für den Hohlraum oder den Durchgang aufgelöst oder anderweitig entfernt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt folgende Verfahrensschritte. Zuerst muß eine dreidimensionale Konfiguration des hohlen Abschnitts der Schaufel bzw. des Teils einer Gasturbine angegeben werden. Als zweites muß eine dreidimensionale Konfiguration der Schaufel bzw. des Teils angegeben werden. Durch Zusammenschmelzen von Schichten aus Keramikpulver, vorzugsweise Quarz, und zwar so, daß Schicht für Schicht Bereiche, die diskreten Querschnittsbereichen des hohlen Abschnitts einer Gasturbinenschaufel entsprechen, aufgebaut werden, kann der Kern hergestellt werden. Eine erste Pulverschicht aus Keramikmaterial wird auf einem Substrat gemäß einem vorgegebenen, dem ersten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts einer Gasturbinenschaufel entsprechenden Modell aufgetragen. Das Zusammenschmelzen der ersten Pulverschicht zu einer ersten geschmolzenen Schicht aus Keramik, deren Form dem ersten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, erfolgt durch Führen eines Laserstrahls über das vorgegebene Modell der ersten Schicht aus Keramikpulver. Analoge Herstellung des Modells kann durch Zusammenschmelzen von Bereichen aus Wachs oder Kunststoff, die an das Keramikpulver oder die geschmolzene Keramik angrenzend aufgetragen werden können, wie es dem Aufbau jeder Kernschicht entspricht. Auf die erste Schicht aus geschmolzener Keramik oder geschmolzenem Wachs oder Kunststoff wird eine zweite Schicht aus Keramikpulver gemäß einem zweiten vorgegebenen Modell aufgetragen, das einem zweiten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, der unmittelbar an den ersten Querschnittsbereich angrenzend angeordnet ist. Ein Zusammenschmelzen der zweiten Pulverschicht erfolgt durch Führen eines Laserstrahls über das zweite vorgegebene Modell zu einer zweiten geschmolzenen Schicht aus Keramikmaterial, deren Form dem zweiten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, und zwar so, daß die zweite geschmolzene Schicht auf die erste geschmolzene Schicht aufgeschmolzen wird. Die zweite Schicht des Modells wird analog der oben beschriebenen Weise aufgebaut. Aufeinanderfolgende Pulverschichten werden auf vorhergehende geschmolzene Schichten gemäß den vorgegebenen Modellen aufgetragen, die den jeweiligen Querschnittsbereichen des hohlen Abschnitts des Kerns und des Modells entsprechen. Jede der aufeinanderfolgenden Pulverschichten wird zu aufeinanderfolgenden geschmolzenen Schichten zusammengeschmolzen, bei denen jede der aufeinanderfolgenden geschmolzenen Schichten auf eine vorhergehende geschmolzene Schicht aufgeschmolzen wird, wobei der Kern mit einer dem hohlen Abschnitt der Schaufel bzw. des Teils einer Gasturbine entsprechenden Konfiguration und ein Modell mit einer der Schaufel bzw. dem Teil entsprechenden Konfiguration entstehen.
• Die Kern/Modell-Kombination kann zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel verwendet werden. Eine leicht entfernbare Gußform wird so um das Modell und den Kern herum angebracht, daß es sich der Außenfläche des Modells anpaßt. Das Wachs- oder Kunststoffmodell läßt sich in einer in der Technik bekannten Weise entfernen, wie z.B. Vorerwärmen des Wachsmodells oder Auflösen des Kunststoffmodells. Man gießt eine Schmelziegierung so in die Gußform, daß sie die Form füllt, und läßt die Schmelzlegierung anschließend erstarren. Die Gußform kann dann weggebrochen und der Kern mit flüssiger Natronlauge entfernt werden.
• Vorzugsweise besteht das Keramikpulver aus Quarz. Bei dem Quarz kann es sich um Alpha- oder Betaquarz handeln. Alle Pulver sollen eine mittlere Teilchengröße unter 100 Mikrometer aufweisen. Wenn es sich bei dem Quarzpulver um Alpha/Betaquarz handelt, kann ein daraus hergestellter Kern dem Guß einer Schmelzlegierung mit einer Temperatur im Bereich von etwa 649ºC (1200ºF) bis etwa 1815,5ºC (3300ºF) widerstehen.
• Für das zur Herstellung des Modells verwendete Wachs- oder Kunststoffpulver kommt eine ähnliche Größe oder Konfiguration in Frage. Jede Schicht des geschmolzenen Modells kann eine Stärke von etwa 0,254 bis 1,524 mm (0,010 bis 0,06 Zoll) aufweisen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kern/Modell-Kombination durch aufeinanderfolgendes Auftragen von Schichten eines verschmelzbaren Pulvers auf ein Substrat und aufeinanderfolgendes Zusammenschmelzen der Schichten mittels eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Auftragen einer ersten Schicht aus einem Pulver aus Keramikmaterial auf das Substrat gemäß einem vorgegebenen Modell, das einem ersten Querschnittsbereich eines hohlen Abschnitts einer Gasturbinenschaufel bzw. eines -teils entspricht; Zusammenschmelzen der ersten Schicht aus Keramikpulver zu der geschmolzenen Schicht aus Keramik, deren Form dem ersten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, durch Führen des Laserstrahls über das vorgegebene Modell der ersten Pulverschicht; Auftragen einer ersten Schicht aus einem Pulver, das mindestens ein Material enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Wachs und Kunststoff ausgewählt wurde, auf das Substrat gemäß einem vorgegebenen Modell, das einem ersten Querschnittsbereich der Schaufel bzw. des Teils entspricht; Zusammenschmelzen der ersten Schicht aus Wachs bzw. Kunststoffpulver zu einer geschmolzenen Schicht aus Wachs bzw. Kunststoff, deren Form dem ersten Querschnittsbereich der Schaufel bzw. des Teils entspricht, durch Führen eines Laserstrahls über das vorgegebene Modell, das dem ersten Querschnittsbereich der Schaufel bzw. des Teils entspricht; wobei die geschmolzenen Bereiche aus Keramikmaterial und die geschmolzenen Bereiche aus Wachs bzw. Kunststoff der ersten Schicht eine erste geschmolzene Schicht bilden; Auftragen einer zweiten Schicht aus Keramikpulver auf die erste geschmolzene Schicht gemäß einem zweiten vorgegebenen Modell, das einem zweiten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, der unmittelbar an den ersten Querschnittsbereich desselben hohlen Abschnitts angrenzend angeordnet ist; Schmelzen der zweiten Schicht aus Keramikpulver zu einer zweiten geschmolzenen Schicht aus Keramikmaterial, deren Form dem zweiten Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts entspricht, durch Führen eines Laserstrahls über das zweite vorgegebene Modell des hohlen Abschnitts, und zwar so, daß die zweite geschmolzene Schicht aus Keramikmaterial auf die erste geschmolzene Schicht aufgeschmolzen wird; Auftragen einer zweiten Schicht aus Wachs bzw. Kunststoffpulver auf die erste geschmolzene Schicht gemäß einem zweiten vorgegebenen Modell, das einem zweiten Querschnittsbereich der Schaufel bzw. des Teils entspricht, der unmittelbar an den ersten Querschnittsbereich der Schaufel bzw. des Teils angrenzend angeordnet ist; Schmelzen der zweiten Schicht aus Wachs bzw. Kunststoff zu einer zweiten geschmolzenen Schicht aus Wachs bzw. Kunststoff, deren Form dem zweiten Querschnittbereich der Schaufel bzw. des Teils entspricht, durch Führen eines Laserstrahls über das zweite vorgegebene Modell der Schaufel bzw. des Teils, und zwar so, daß die geschmolzene Schicht aus Wachs bzw. Kunststoff auf die erste geschmolzene Schicht aufgeschmolzen wird; und Auftragen aufeinanderfolgender Schichten aus Pulver auf vorhergehende geschmolzene Schichten aus Keramikmaterial oder geschmolzene Schichten aus Wachs bzw.

Kunststoff gemäß vorgegebenen Modellen, die einem jeweiligen Querschnittsbereich des hohlen Abschnitts und der Schaufel bzw. des Teils entsprechen, und Verschmelzen jeder der aufeinanderfolgenden Schichten aus Pulver zu aufeinanderfolgenden geschmolzenen Schichten, wobei jede der aufeinanderfolgenden geschmolzenen Schichten auf eine vorhergehende geschmolzene Schicht aufgeschmolzen ist, wobei der Kern mit einer dem hohlen Abschnitt der Gasturbinenschaufel entsprechenden Konfiguration und ein Modell mit einer der Schaufel bzw. dem Teil entsprechenden Konfiguration entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Keramikpulver aus Quarz besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kern Teilbereiche mit einer Stärke von weniger als 1,524 mm (0,06 Zoll) aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Schaufel oder eines Teils einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Verfahren folgendes umfaßt: Anbringen einer leicht entfernbaren Gußform um das Modell und den Kern herum, wobei die Gußform dem Modell entspricht; Entfernen des Modells, wobei ein Hohlraum frei wird; Gießen einer Schmelzlegierung in die Gußform zum Füllen des Hohlraums; Erstarrenlassen der Legierung; Entfernen der Gußform; und Entfernen des Kerns mit flüssiger Natronlauge.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Schmelziegierung eine Temperatur aufweist, die im Bereich von etwa 649ºC (1200ºF) bis etwa 1815,5ºC (3300ºF) liegt.