DE69727729T2

DE69727729T2 - Verstärkter keramischer Kompositkern und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69727729T2
Application number: DE69727729T
Authority: DE
Inventors: Richard Mallory Scotia Davis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: US5947181A; JP4344787B2; EP0818256B1; EP0818256A1; JPH1080747A; CA2208377A1; CA2208377C; DE69727729D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Konstruktion von Keramikkernen, die in Gießverfahren verwendet werden, und insbesondere auf Keramikkerne, die beim Gießen von Gasturbinenschaufeln und -düsen verwendet werden, die innere Kühlkanäle haben.
Keramikkerne werden verwendet, um Kühl-Hohlräume und -kanäle in stromlinienförmigen Abschnitten von Schaufeln und Düsen zu formen, die in dem heißen Abschnitt von einer Gasturbine verwendet werden. Üblicherweise bilden die Kühlkanäle in einer Schaufel beispielsweise einer ersten Turbinenstufe und gelegentlich der Stufe 2 eine Serpentinenform. Diese serpentinenförmige Geometrie enthält gewöhnlich 180° Biegungen an sowohl dem Fuß als auch der Spitze des stromlinienförmigen Abschnittes. Die Biegungen an dem Spitzenende von dem stromlinienförmigen Abschnitt sind im Allgemeinen außerhalb des stromlinienförmigen Abschnittes gut abgestützt. Die Biegungen am Fuß andererseits sind im Allgemeinen durch Kreuzbänder von kleiner konischer (oder ähnlicher) Geometrie abgestützt, die an dem einen Ende an den Fußbiegungen und an dem gegenüberliegenden Ende an den Kühlmittelversorgungs- und/oder Ausgangskanälen in dem Turbinenschaufelschaft befestigt sind. Somit ist der Keramikkern im wesentlichen ein fester Körper, der geformt ist, um mit den komplexen inneren Kühlmittelkanälen der Schaufel übereinzustimmen. Der Kern wird in einer Gießform angeordnet, bevor geschmolzenes Metall in die Form gegossen wird, um die Schaufel zu formen. Eine Gießform, die den Kern hält, besteht aus einem Keramikmantel, der das geschmolzene Metall enthält, formt die äußere Form von der Komponente und fixiert den Keramikkern innerhalb des Teils, das gegossen wird.
Keramikkerne werden dadurch geformt, dass ein Gesenk von der Kühlkreisgeometrie erzeugt wird, in das ein Brei der gewünschten Zusammensetzung injiziert wird. Das "grüne" Material wird dann gebrannt, um die Keramik auszuhärten und somit den Kern stabil und haltbar zu machen. Selbstverständlich sind die Geometrie und die Bedingungen, denen der Keramikkern in der Gießform ausgesetzt wird, wichtige Überlegungen bei der Beibehaltung der strukturellen Stabilität des Kerns. Beispielsweise reichen die Längen des stromlinienförmigen Abschnittes für gewisse Gasturbinendüsen und -schaufeln, für die die Kühlgeometrie Kernstabilität erfordert, von etwa 15 cm (6 Zoll) bis 30 cm (12 Zoll) und länger. Üblicherweise sind Keramikkern-Zusammensetzungen hergestellt worden, um strukturelle Integrität unter moderat hohen Temperaturen für ausgedehnte Zeitlängen zu erzielen. Während des Gießens jedoch ist der Keramikkern einem geschmolzenen Metall ausgesetzt, das bis zu 1483°C (2700°F) heiß sein kann. Eine gerichtete Erstarrung des Metalls beispielsweise, die entweder säulenförmige oder Einkristall-Kornstrukturen erzeugt, erfordert eine sehr langsame Herausziehgeschwindigkeit aus dem Ofen. Diese langsame Geschwindigkeit setzt den Keramikkern sehr hohen Temperaturen für ausgedehnte Zeitperioden aus. Der Keramikkern hat die Tendenz, unter diesen Umständen seine strukturelle Stabilität zu verlieren und verformt sich aufgrund seines eigenen Gewichtes. Dieses Phänomen, das als "Absacken" bekannt ist, bewirkt unerwünschte Änderungen in der Wanddicke des Endproduktes zwischen der Form und dem Kern. Dieses Problem ist verbunden worden mit der Verwendung von fortgeschritteneren Nickelbasis-Superlegierungen mit heißeren Gießtemperaturen und längeren Herausziehzeiten.
Es gibt jedoch gewisse Keramikzusammensetzungen, die, nach einer nicht-umkehrbaren Phasenänderung, extrem harte und stabile Strukturen mit minimalen Absacken während des Gießens erzeugen. Die Schwierigkeit mit diesen Zusammensetzungen ist jedoch, dass der normale Kernentfernungsprozess (Hochtemperatur-Laugenbäder) nicht richtig arbeitet. Da Laugung die einzig verfügbare, zerstörungsfreie Kernentfernungstechnik darstellt, gibt es keinen sicheren Prozess, die harten stabilen Kerne von dem Gussstück zu entfernen.
Verschiedene Verfahren zum Metallgießen unter Verwendung verstärkter Keramikkerne sind in US-A-3 160 931, GB-1 549 819, US-A-4 905 750, GB-A-2 102 317 und EP-A-0 105 602 beschrieben.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine effektive Verstärkung des Keramikkerns in einem stromlinienförmigen Abschnitt (insbesondere, aber nicht notwendigerweise begrenzt auf Turbinenschaufeln und -düsen) zu erzielen, während für eine kosteneffektive Kernentfernung gesorgt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Erzeugen eines verstärkten Keramikkerns, der beim Gießen von hohlen Komponenten verwendet wird, enthaltend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Gesenkes mit einer Geometrie, die dem Keramikkern eine Form gibt, die inneren Kanälen in der Komponente entspricht,
b) Einsetzen langgestreckter Verstärkungsteile in einen oder mehrere innere Bereiche des Gesenkes, die den inneren Kanälen entsprechen, wobei die Verstärkungsteile eine Länge haben, die im wesentlichen gleich einer entsprechenden Länge der inneren Kanäle ist, wobei die Verstärkungsteile aus einem Material sind, das aus der aus Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
c) Einspritzen eines Keramikbreies in das Gesenk, um so die Verstärkungsteile im wesentlichen einzuschließen, und
d) Brennen des Keramikbreies, um einen gehärteten Keramikkern zu bilden.

Die Erfindung stellt auch einen Keramikkern bereit, der in einem Hochtemperatur-Hohlkomponenten-Gießverfahren verwendet wird, enthaltend:
Einen Keramikkern mit einer Geometrie, die inneren Kanälen von einer hohlen Komponente entspricht, und
ein Verstärkungsteil enthaltend wenigstens einen langgestreckten Stab oder ein Rohr, das in dem Keramikkörper vollständig eingeschlossen ist, wobei der Stab oder das Rohr aus einem Material sind, das strukturelle Stabilität bei Temperaturen über 1427°C (2600°F) beibehält.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Gießform für eine Gasturbinenkomponente mit inneren Kanälen bereit, enthaltend einen Keramikkern und ein Gießgesenk, wobei der Keramikkern geformt ist, um den inneren Kanälen zu entsprechen, wobei das Gesenk in der Lage ist, geschmolzenes Metall aufzunehmen, und der Keramikkern nach der Erstarrung des geschmolzenen Metalls entfernt werden kann, wobei der Keramikkern wenigstens ein Verstärkungsteil enthält, um die strukturelle Stabilität des Kerns während des Gießens und Erstarrens des geschmolzenen Metalls zu verbessern, wobei das Verstärkungsteil einen massiven Stab aufweist, der in dem Kern vollständig eingeschlossen ist, und eine Länge hat, die im wesentlichen gleich einer entsprechenden Länge der inneren Kanäle ist, und wobei das Verstärkungsteil aus einem Material ist, das aus der aus Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Im Allgemeinen ist gemäß dieser Erfindung ein Verstärkungsteil (oder Teile) innerhalb des Keramikkerns bereitgestellt, aus einem Material (oder Materialien) hergestellt, das strukturelle Stabilität bei den hohen Temperaturen (mehr als 1427°C (2600°F)) der geschmolzenen Legierungen hat, die für Komponenten des heißen Abschnittes einer Gasturbine und den langen Zeiten verwendet werden, die notwendig sind, um die gewünschte kristalline Struktur des Metalls zu erzielen. Die Geometrie von dem Verstärkungsteil oder den Teilen sollte klein genug sein, um die Entfernung, über verfügbare Öffnungen in der Komponente, zu gestatten, wenn der Gießprozess abgeschlossen ist.
Die Verstärkungsstange kann irgendeine geeignete Querschnittsform haben und kann auch mit äußeren Wulsten (ähnlich dem "Rückstab", der zum Verstärken von Beton verwendet wird) versehen sein, um für ein zusätzliches Anhaften an der Keramik zu sorgen und auch für eine zusätzliche Halterung des Verstärkungsteils selbst. Der Stab kann in dem Kerngesenk vor dem Einspritzen des Keramikbreies angeordnet werden, ähnlich der Art und Weise, in der ein Kern in einem Wachs-Einspritzgesenk angeordnet wird, um ein Wachs-Abbild von der Komponente in einem Präzisions-Gießverfahren zu erzeugen.
Das Verstärkungsteil oder der -stab hat einen kleineren Querschnitt als die gewünschte Kanalgeometrie und ist kleiner als die Öffnung am Oberteil der Schaufel. Dies wird gemacht, um die normale keramische Verbindung um das Teil einzuspritzen und die Entfernung des Teils zu erleichtern, nachdem der Kernentfernungsprozess abgeschlossen ist, wobei gegenwärtige übliche Entfernungstechniken verwendet werden, einschließlich der physikalischen Entfernung durch Öffnungen hindurch oder durch chemische Laugenprozesse.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Turbinenschaufel des Typs darstellt, der in der Gasturbine gemäß der Erfindung verwendet wird;
2 eine Seitenansicht von einer Turbinenschaufel nach dem Gießen ist, aber noch einen Keramikkern mit Verstärkungsteilen an Ort und Stelle gemäß der Erfindung enthält, und
3 ein Schnitt entlang der Linie 4-4 in 2 ist.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, wonach eine bekannte Turbinenschaufelkonstruktion 10 einen stromlinienförmigen Abschnitt 12 aufweist, der an einem Plattformabschnitt 14 befestigt ist, der den Schaft 16 vor den heißen Gasen der Turbinenströmungsbahn abdichtet. Der Schaft 16 ist Weise durch vordere bzw. hintere integrale Deckplatten 18, 20 überdeckt. Sogenannte Winkelflügel 22, 24 und 26 sorgen für eine Abdichtung der Radraumkammern. Die Schaufel ist an der Turbinenrotorscheibe (nicht gezeigt) durch einen üblichen Schwalbenschwanz 28 befestigt. In einigen Schaufelanwendungen wird ein Zubehörteil unter dem unteren Schaft von dem Schwalbenschwanz verwendet, um ein Kühlmittel, wie beispielsweise Luft oder Dampf, ein- und austreten zu lassen. Die oben beschriebene Schaufel ist typisch für eine Gasturbinenschaufel der ersten Stufe, aber es ist verständlich, dass andere Komponenten einschließlich der Düse der ersten Stufe, der Düse der zweiten Stufe, der Schaufel der Stufe 2 usw., den verstärkten Keramikkern gemäß der Erfindung verwenden können.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, wo eine vereinfachte Darstellung von der Schaufel in ihrer Fertigungsstufe dargestellt ist. Die äußeren gepunkteten Linien 30 stellen die Innenflächen von einer Gießform dar, und der Keramikkern ist durch die Bezugszahl 32 angegeben. Es ist verständlich, dass der Keramikkern die Kühlmittelkanäle in der endgültig geformten Schaufel bilden, und dass die übrigen Räume zwischen verschiedenen Abschnitten von dem Keramikkern und der Gießform 30 mit geschmolzenem Metall während des Gießens der Schaufel gefüllt werden. Der interne Kühlmittelkanal, wie er durch den Keramikkern definiert wird, hat eine im Allgemeinen serpentinenförmige Konfiguration mit einzelnen radialen Einströmungs- und Ausströmungsabschnitten 34, 36, 38, 40, 42 und 44. Die Kanäle 34 und 36 sind durch eine U-Biegung bei 46 verbunden, die an der Spitze von dem stromlinienförmigen Abschnitt angeordnet ist. Ähnliche U-Biegungen sind an inneren und äußeren Abschnitten des stromlinienförmigen Abschnittes ausgebildet und durch Bezugszahlen 48, 50, 52 und 54 bezeichnet. Die sogenannten Fuß- oder Wurzelbiegungen 48 und 52 des Keramikkerns sind durch Querriegel 56 und 58 abgestützt, die sich zu Abschnitten 60 und 62 des Kerns erstrecken (und diese somit verbinden), die schließlich Eintritts- oder Austrittskanäle für das Kühlmittel in den stromlinienförmigen Abschnitt bilden. Die Querriegel 56, 58 sind so gezeigt, dass sie im Allgemeinen eine Uhrglaskonfiguration haben, aber es können auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
2 stellt auch zwei Verstärkungsteile oder massive Stäbe 64, 66 dar, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Keramikkernabschnitte 36, 38 erstrecken. Einer von ihnen hat, wie es in 3 gezeigt ist, eine rechteckige Querschnittsform, aber es können auch andere Formen verwendet werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass 2 nur zwei Verstärkungsteile zeigt, einfach für ein leichteres Verständnis, während 3 nicht nur die Verstärkungsteile 64 und 66 darstellt, sondern es können auch zusätzliche Verstärkungsteile 68, 70, 72 und 74 verwendet werden, beispielsweise eines in jedem der Keramikkernabschnitte 34, 36, 38, 40, 42 und 44. Die Querschnittsformen der Verstärkungsteile können variieren, wie zwischen benachbarten Kanälen, wie es in 3 gezeigt ist, wo einige der Verstärkungsteile einen rechtwinkligen und andere einen runden Querschnitt haben.
Es wird nun zu 2 zurückgekehrt, wo zusätzliche Kernverstärkungsteile 76 und 78 gezeigt sind, die sich durch die Querriegel 56 bzw. 58 erstrecken. Somit können in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaufel- und/oder Düsenanwendung Verstärkungsteile, wie sie vorstehend beschrieben sind, in einigen oder allen serpentinenförmigen Kühlabschnitte des Keramikkerns und/oder in den Querriegeln 56 und 58 des Kerns verwendet werden.
Wie vorstehend angegeben wurde, sollten Verstärkungsteile aus einem Material hergestellt sein, das strukturelle Stabilität bei hohen Gießtemperaturen von geschmolzenem Metall beibehält, und wie vorstehend ausgeführt wurde, sind Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid, geeignet, wobei Aluminiumoxid das gegenwärtig bevorzugte Material ist.
Die Verstärkungsteile, wie sie hier beschrieben sind, können auch die Form von hohlen Röhren annehmen, und zusätzliche Festigkeit kann gewonnen werden, indem der Innenraum der Röhren mit Molybdän oder Wolframkarbid oder irgendeiner anderen keramischen Zusammensetzung gefüllt wird, die eine Phasenänderung während des Gießverfahrens durchläuft und hart wird. Selbstverständlich würden im Falle der Verwendung hohler Verstärkungsteile die Enden der Teile abgedichtet, bevor Keramikmaterial in das Kerngesenk eingespritzt wird.
Die Art und Weise, in der die oben beschriebenen Verstärkungsteile in dem den Keramikkern formenden Gesenk angeordnet und während des Formens des Keramikkerns gehalten werden, liegt im Rahmen des Wissens des Durchschnittsfachmannes und braucht hier nicht im Einzelnen beschrieben zu werden. Nachdem der Keramikbrei in das Kernformungsgesenk gegossen worden ist, wird das Material gebrannt, um den Kern zu härten, wodurch der Kern stabil und haltbar gemacht wird. Der Keramikkern wird dann in der Gießform angeordnet und vorbereitet zum Gießen des geschmolzenen Metallmaterials, um die Schaufel zu formen.
Wenn gewisse Materialien als die Verstärkungsteile verwendet, wozu Aluminiumoxid gehört, kann es ein Problem der thermischen Expansion der Verstärkungsteile dahingehend geben, dass sich Risse in dem Keramikkern bilden. Um dieses Problem zu mildern, können Wachsverlängerungen zu einem oder beiden Enden der Verstärkungsteile hinzugefügt werden, damit sich die Verstärkungsteile unter den hohen Gießtemperaturen des geschmolzenen Metalls axial ausdehnen können. Mit anderen Worten, bei der grossen Hitze werden die Wachsenden schmelzen und Raum für eine axiale Expansion der Röhren bereitstellen. Wie ebenfalls vorstehend ausgeführt wurde, werden die Keramikkerne normalerweise durch übliche Laugenprozesse entfernt. Wenn Verstärkungsstäbe oder -röhren verwendet werden, kann das chemische Laugenbad modifiziert werden, um auch die Stäbe zu entfernen. Alternativ und in Abhängigkeit von der Größe und der Lage der Verstärkungsteile können sie physikalisch durch Öffnungen in der Schaufel hindurch entfernt werden.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf die Anwendung der Fertigung von Gasturbinenschaufel und -düse beschrieben, die Erfindung kann aber auch gut anwendbar sein zum Formen anderer Komponenten, wo eine Keramikkern-Verstärkung gewünscht wird.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines verstärkten Keramikkerns (32), der beim Giessen von hohlen Komponenten verwendet wird, enthaltend die Schritte: a) Bereitstellen eines Gesenkes (30) mit einer Geometrie, die dem Keramikkern eine Form gibt, die inneren Kanälen (34–44) in der Komponente entspricht, b) Einsetzen langgestreckter Verstärkungsteile (64, 66) in einen oder mehrere innere Bereiche des Gesenkes, die den inneren Kanälen entsprechen, wobei die Verstärkungsteile eine Länge haben, die im wesentlichen gleich einer entsprechenden Länge der inneren Kanäle ist, wobei die Verstärkungsteile aus einem Material sind, das aus der aus Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist, c) Einspritzen eines Keramikbreies in das Gesenk, um so die Verstärkungsteile im wesentlichen einzuschließen, und d) Brennen des Keramikbreies, um einen gehärteten Keramikkern zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsteile (64, 66) aus Aluminiumoxid sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gesenk (30) derart konfiguriert wird, dass sie dem Keramikkern (32) eine Form gibt, die inneren Kühlmittelkanälen in einer Gasturbinenschaufel oder -düse entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsteile aus einem Material sind, das strukturelle Stabilität bei Temperaturen über 1427°C (2600°F) hat.
Keramikkern (32), der durch das Verfahren nach Anspruch 1 gebildet ist und in einem Hochtemperatur-Hohlkomponenten-Giessverfahren verwendet wird, enthaltend: einen Keramikkern mit einer Geometrie, die inneren Kanälen (34–44) von einer hohlen Komponente entspricht, und ein Verstärkungsteil enthaltend wenigstens einen langgestreckten Stab oder ein Rohr (64, 66), das in dem Keramikkörper vollständig eingeschlossen ist, wobei der Stab oder das Rohr aus einem Material sind, das strukturelle Stabilität bei Temperaturen über 1427°C (2600°F) beibehält, wobei das Material aus der aus Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Keramikkern nach Anspruch 5, wobei der Keramikkörper eine Geometrie hat, die inneren Kühlmittelkanälen in einer Turbinenschaufel oder -düse entspricht.
Keramikkern nach Anspruch 6, wobei wenigstens zwei langgestreckte Stäbe in jedem der inneren Kühlmittelkanäle angeordnet sind.
Keramikkern nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Stab oder das Rohr aus Aluminiumoxid ist.
Keramikkern nach Anspruch 5, wobei mehrere langgestreckte Stäbe oder Rohre vorgesehen sind.
Giessform für eine Gasturbinenkomponente mit inneren Kanälen, enthaltend einen Keramikkern (32) und ein Giessgesenk (30), wobei der Keramikkern durch das Verfahren nach Anspruch 1 geformt ist, um den inneren Kanälen (34–44) zu entsprechen, wobei das Gesenk in der Lage ist, geschmolzenes Metall aufzunehmen, und der Keramikkern nach der Erstarrung des geschmolzenes Metalls entfernt werden kann, wobei der Keramikkern wenigstens ein Verstärkungsteil (64, 66) enthält, um die strukturelle Stabilität des Kerns während des Giessens und Erstarrens des geschmolzenen Metalls zu verbessern, wobei das Verstärkungsteil einen massiven Stab aufweist, der in dem Kern vollständig eingeschlossen ist, und eine Länge hat, die im wesentlichen gleich einer entsprechenden Länge der inneren Kanäle ist, und wobei das Verstärkungsteil aus einem Material ist, das aus der aus Aluminiumoxid, Quarz, Molybdän, Wolfram und Wolframkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.