DE69734625T2

DE69734625T2 - Fluidum gekühlter Gegenstand und seine Herstellungsweise

Info

Publication number: DE69734625T2
Application number: DE69734625T
Authority: DE
Inventors: Bhupendra Kumar Cincinnati Gupta; Robert Paul Montgomery Ziegler; Wilbur Douglas Cincinnati Scheidt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-05-17
Also published as: JPH1054202A; EP0807744A2; JP4108152B2; EP0807744A3; DE69734625D1; US5941686A; SG55270A1; US5771577A; EP0807744B1

Description

Die Erfindung betrifft oberflächengeschützte, fluidgekühlte Gegenstände, die an einer Außenoberfläche jeweils über eine Kühlöffnung mündende Kühlkanäle aufweisen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände. Insbesondere betrifft die Erfindung luftgekühlte Gasturbinentriebwerkteile, die bei hoher Temperatur arbeiten.
Fortschrittliche Gasturbinentriebwerkkomponenten, die in den heißen Abschnitten des Triebwerks arbeiten, können Temperaturen ausgesetzt sein, die zu einer Verkürzung der Betriebslebensdauer der Komponenten beitragen. Allgemein gehören zu solchen Komponenten Brennkammern, Turbinenlauf- und – leitschaufeln, Turbinengehäuse und verschiedene Komponenten in dem Abgassystem. Um die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern, werden diese Komponenten so konstruiert, dass sie Kühlkanäle in dem Körper der jeweiligen Komponenten aufweisen, die an einer Oberfläche oder rings um eine Komponentenoberflächen münden. Zum Zwecke einer zusätzlichen Wärme- und/oder Umwelteinflussbeständigkeit ist häufig auf einer höheren Temperaturen ausgesetzten Oberfläche ein Hochtemperatur-Schutzüberzug, wie etwa ein metallischer oder keramischer Überzug, angeordnet. Beispiele solcher im Stand der Technik weithin bekannter Überzüge umfassen Aluminide, MCrAlY (bei denen M wenigstens eines der Elemente Fe, Co und Ni ist) verschiedene Überzüge mit Metalldeckschicht und keramische Wärmeschutzüberzüge, von denen eine Art im Stand der Technik als Wärmemauerüberzüge (Thermal Barrier Coatings) oder TBC bezeichnet wird. Wenngleich sich die vorliegende Erfindung auf alle solche Überzüge bezieht, so sind doch die TBC-Überzüge von besonderem Interesse.
Typisch für solche TBC-Überzüge wie sie z.B. auf dem Gebiet der Gasturbinen verwendet werden, ist einer der auf einem mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumdioxid basiert, bspw. etwa 20 Gewichtsprozent Zirkoniumdioxid stabilisiert mit etwa 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid. Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen eines TBC-Überzugs besteht in einem Plasma-Spray-Auftrag unter Verwendung von zu diesem Zwecke handelsüblichen Geräten. Solche Überzüge werden häufig mit einem metallischen Bindungsüberzug verwendet. Dieser allgemeine Typ eines TBC-Überzugs ist schon seit einiger Zeit bekannt, wie dies aus US-Patenten wie 4,095,705 – Stecura et al (patentiert 25. Oktober 1977); 4,095,003 – Weatherly et al (patentiert 13. Juni 1978); 4,328,285 – Siemens et al (patentiert 4. Mai 1982); 5,216,808 – Martus et al (patentiert 8. Juni 1993); 5,236,745 – Gupta et al (patentiert 17. August 1983) und 5,392,515 – Auxier et al (patentiert 28. Februar 1995) hervorgeht.
Die Martus et al Patentschrift zeigt eine Konstruktion einer fluidgekühlten, bei diesem Beispiel luftgekühlten, Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk. Diese Schaufel weist einen hohlen Innenraum auf, der über Kühlpassagen, wie Kühlkanäle oder Löcher durch die Wand mit der Außenwandoberfläche verbunden ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung schützt ein TBC-Überzug die Außenoberfläche. Da die Kühllöcher mit einer Größe ausgelegt sind, die eine ordnungsgemäße und jeweils angestrebte Kühlung der Schaufel während des Triebewerksbetriebs ergibt, darf der Fluiddurchstrom durch die Löcher als Folge einer solchen Oberflächenbehandlung nicht eingeschränkt werden. Deshalb lehren Martus et al in einer Ausführungsform ihrer Erfindung von jedem Kühlloch überschüssiges Material, bspw. TBC, zu entfernen, das die Durchströmung durch das Loch behindert. Es hat sich aber gezeigt, dass in einigen Fällen das Laserbohren nach der TBC-Beschichtung wegen Rissbildung an der Trennfläche zwischen dem TBC und dessen Substrat unzweckmäßig ist. wenngleich Martus et al ein Verfahren zum Entfernen einer unerwünschten Strömungsbehinderung beschreiben, würde doch das Entfallen der Notwendigkeit eines solchen Entfernungsschrittes das Risiko einer Rissbildung in der Grenzschicht verringern und die Herstellungskosten absenken, während gleichzeitig die Effektivität bei der Herstellung erhöht würde.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines fluidgekühlten Gegenstandes mit einer Wand geschaffen, die einen von einer ersten Öffnung in einer ersten Wandoberfläche zu einer zweiten Öffnung in einer zweiten Wandoberfläche durchgehenden Fluidkühlkanal aufweist, wobei die zweite Wandoberfläche zumindest anschließend an die zweite Öffnung einen Schutzüberzug trägt, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

– Wahl einer ersten Querschnittsfläche für die erste Öffnung, um eine gewünschte Größe eines Kühlfluidstroms durch den Fluidkühlkanal festzulegen;
– Wahl eines Beschichtungsverfahrens zum Auftragen des Schutzüberzugs auf der zweiten Wandoberfläche wenigstens um die zweite Öffnung herum, wobei das Verfahren einen Überzuganteil teilweise in den Kanal bei der zweiten Öffnung aufträgt; und
– Wahl eines Überzugdickenbereichs für den Überzug mit dem Beschichtungsverfahren auf der zweiten. Wandoberfläche wenigstens rings um die zweite Öffnung herum, gekennzeichnet durch
– Erzeugen des Fluidkühlkanals durch die Wand vor der Beschichtung, wobei der Fluidkühlkanal durch die ganze Wand hindurch eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt aufweist, durch die eine Dosierbohrung derart ausgebildet wird, dass die erste Öffnung des Kühlkanals die erste Querschnittsfläche und die zweite Öffnung des Kühlkanals eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die um einen Betrag größer ist als die erste Querschnittsfläche, der nicht kleiner ist als eine Verringerung der Querschnittsfläche, die sich aus dem teilweisen Auftrag des Überzugs in dem Kanal an der zweiten Öffnung ergibt, so dass die zweite Öffnung eine Querschnittsfläche aufweist, die nach dem Auftrag des Überzugs, zumindest so groß bleibt, wie die Querschnittsfläche der ersten Öffnung; und
– Auftragen des Überzugs auf der zweiten Wandoberfläche mit dem Beschichtungsverfahren in dem gewählten Überzugsdickenbereich, wenigstens rings um die zweite Öffnung herum, derart, dass der Überzug sich rings um deren Umfang in die zweite Öffnung hinein erstreckt.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung eines fluidgekühlten Gegenstandes, der einen Schutzüberzug auf einer Wandoberfläche aufweist, Schritte zur Erzeugung eines Fluidkühlkanals durch eine Wand, der so gestaltet ist, dass eine schädliche Hemmung von Kühlfluid durch den Kanal zufolge des Überzugsauftrags vermieden ist.
Nach der Wahl der ersten Querschnittsfläche für die erste Öffnung, der Wahl des Beschichtungsverfahrens und der Wahl des Überzugdickebereichs können die folgenden Schritte ausgeführt werden:

– Erzeugen einer Reihe von Musterkanälen;
– Auftragen des Überzugs in einer Reihe von Überzugsdicken in dem gewählten Dickenbereich auf der zweiten Oberfläche um die zweite Öffnung herum; und
– Messen des Überzugsanteils, der in dem Kanal um die zweite Öffnung herum aufgetragen wurde bei jeder Dickenserie als Basis zur Erzeugung der zweiten Querschnittsfläche der zweiten Öffnung vor dem Auftrag derart, dass sie größer ist als die erste Querschnittsfläche der ersten Öffnung.

Der Schutzüberzug kann ein Hitzeschild- oder -mauerüberzug sein (Thermal Barrier Coating); der gewählte Durchmesser der ersten Öffnung kann in dem Bereich von etwa 0,0254 bis 0,1016 cm (0,01 bis 0,04'') liegen; und der gewählte Durchmesser der zweiten Öffnung kann in dem Bereich von etwa 0,0508 bis 0,254 cm (0,02 bis 0,1'') liegen.
Der Kanal durch die Wand kann unter Verwendung eines Lasers hergestellt werden; der gewählte Durchmesser der ersten Öffnung kann in dem Bereich von etwa 0, 0254 bis 0, 0762 cm (0,01 bis 0,03'') liegen; der gewählte Durchmesser der zweiten Öffnung kann in dem Bereich von etwa 0,0508 bis 0,1016 cm (0,02 bis 0,04'') liegen; und der gewählte Überzugsdickenbereich auf der zweiten Oberfläche kann zwischen etwa 0,0127 cm (0,005'') und weniger als etwa 0,381 cm (0,015'' liegen.
Die Erfindung wird nun beispielhaft in größerem Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 Eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer fluidgekühlten Wand mit einem erfindungsgemäß gestalteten durchgehenden Kühlkanal und mit einem Schutzüberzug auf einer Wandoberfläche und teilweise in dem Kanal ist;
Die 2A und 2B ausschnittsweise Schnittdarstellungen einer Wand wie in 1 sind, die verschiedene Richtungen des Plasmaauftrags eines TBC als Schutzschicht und den teilweisen Auftrag von TBC in dem Kühlkanal veranschaulichen;
3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer mit A, B, C und D bezeichneten Reihe von verschiedenen Arten der Gestalt der zweiten Öffnung in der zweiten Oberfläche ist;
4 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer anderen Form einer fluidgekühlten Wand wie in 1 ist.
Kühlkanäle und -löcher verschiedener Größe und Gestalt werden auf dem Gebiet der Gasturbinen, bspw. bei Gasturbinenlauf- und -leitschaufeln, wie auch bei Brennkammern verwendet. Einige können zufolge der jeweiligen Herstellungstechnik im Allgemeinen geringfügig, in jedem Fall aber in einer im Wesentlichen unkontrollierten Weise von dem Inneren der Komponente aus zu einer Außenoberfläche hin verjüngt sein. Vor der vorliegenden Erfindung wurde die Gestalt solcher Öffnungen auf beschichteten Oberflächen in Abhängigkeit von einer Einlassteueröffnung und dem Beschichtungsverfahren und hinsichtlich der Menge des teilweise in einer Auslassöffnung aufgebrachten Überzugs, der so groß sein kann, dass er den Kühlfluidstrom schädlich verringert, nicht kontrolliert.
Typische Verfahren bei der Herstellung von Gasturbinentriebwerkskomponenten, um durch Wände durchgehenden Öffnungen zu erzeugen, beinhalten das Eingießen der Löcher unter Verwendung geeignet gestalteter Formen und Kerne, mechanisches Bohren oder Fräsen, Schleifkornbohren und Materialabtragung durch elektrische Entladung, auf elektrochemischem Wege oder durch Laser. All diese Verfahren sind an sich bekannt und im Stand der Technik beschrieben. In gewissem Maße liefert jedes eine besondere Gestalt, die sich aus den Parametern der jeweils benutzten Vorrichtung und des Verfahrens ergeben. Gegenwärtig ist von besonderem Interesse im Zusammenhang mit Turbinenkomponenten der Materialabtrag unter Verwendung eines zum Bohren von Löchern fokussierten Lasers. Bei der Beurteilung der vorliegenden Erfindung wurde ein handelsüblicher Nd:YAG Laser verwendet, um Löcher in Hochtemperaturlegierungsmaterial zu bohren, bspw. in Legierungen, die auf wenigstens einem der Elemente Fe, Co und Ni basieren.
Die ausschnittsweise Schnittdarstellung nach 1 veranschaulicht eine Legierungswand 10 eines Gasturbinentriebwerkbrenners, von dem eine Ausführungsform aus einer weithin verwendeten nickelbasierten Legierung, die handelsüblich als Hastelloy X Alloy erhältlich ist, hergestellt ist. Durch die Wand 10 verläuft ein Fluidkühlkanal 12, der sich von einer ersten Öffnung 14 in einer ersten Wandoberfläche 16 zu einer zweiten Öffnung 18 in einer zweiten Wandoberfläche 20 erstreckt. Der Kühlfluidstrom, der durch den Kanal von der ersten Öffnung 14 durch die zweite Öffnung 18 strömt, ist durch die Größe der Öffnung 14 bestimmt. Auf der zweiten Wandoberfläche 20 ist ein Schutzüberzug 22 aufgebracht, von dem etwas in dem Kanal durch die zweite Öffnung 18 abgelagert ist, wie diese bei 22A dargestellt ist. Dies kann bspw. bei einem Plasmaauftrag von Überzügen keramischer Art wie TBC auftreten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Querschnittsfläche der ersten Öffnung 14 so gewählt, dass sie den jeweils gewünschten Kühlfluidstrom durch den Kanal ergibt; außerdem werden die spezielle Überzugsdicke und das Verfahren, das eine Überzugsmenge teilweise in dem Kanal 12 durch die Öffnung 18 ablagert, ausgewählt. Sodann wird die Querschnittsfläche, der Öffnung 18 so bemessen und sodann so hergestellt, dass sie um einen Flächenbetrag größer ist als die Querschnittsfläche, der Steueröffnung 14, der nicht kleiner ist und im Hinblick auf die praktische Herstellung größer ist als die Verminderung der Querschnittsfläche des Überzugs, die sich aus der teilweisen Ablagerung des Überzugs in dem Kanal 12 in der Nähe der zweiten Öffnung 18 ergibt, wie dies bei 22A in 1 dargestellt ist.
Zur Vereinfachung der Darstellung einer Form der Erfindung sei angenommen, dass in 1 der Kanal 12 eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt aufweist, wie sie in der Regel vom Laserbohren des Kanals 12 herrührt. Die Querschnittsfläche der ersten Öffnung 14 beruht auf einem Durchmesser 24 und die Querschnittsfläche der zweiten Öffnung 18 beruht vor dem Aufbringendes Überzugs auf einem Durchmesser 26. Nach dem Aufbringen eines Überzugs mittels eines Verfahrens, das einen Überzug teilweise in dem Kanal 12 bei der zweiten Öffnung 18 aufträgt, ist der Durchmesser der zweiten Öffnung um einen Überzugsbetrag 22A verkleinert, was einen Durchmesser 28 ergibt. Gemäß der vorliegenden Erfindung und 1 ist bei diesem Beispiel der Durchmesser 26 der zweiten Öffnung 18 so hergestellt, dass er um einen Betrag größer ist als der Durchmesser 24 der ersten Öffnung 14, der kleiner ist als der Unterschied zwischen den Durchmessern 26, 28, der, wie dargestellt, die Verkleinerung des Durchmessers der zweiten Öffnung, die sich aus dem Auftrag des Überzugs in dem Kanal ergibt, wiedergibt. Wenn z.B. Laserbohren zum Bohren einer Vorform des Kanals 12 mit einem Durchmesser in der Größenordnung des Durchmessers 24 verwendet wird, können die zweite Öffnung und die endgültige Gestalt des Kanals 12 so hergestellt werden, dass sie einen zweckentsprechend größeren Durchmesser 26 aufweisen, indem der Fokus des Bohrlasers in einen nachfolgenden gesteuerten Durchgang über den Kanal erweitert wird. Auf diese Weise wird die durch die Größe der ersten Öffnung bestimmte Menge des Kühlfluids durch die nachfolgende Aufbringung des Überzugs nicht verringert und die Notwendigkeit Überzugsmaterial zu entfernen entfällt. Außerdem tritt keine Änderung der Richtung der Fluidströmung auf. In der Praxis kann das Bohren eines Kanals von im Wesentlichen kreisförmiger Querschnittsgestalt in der Wand selbst, zu einer Öffnung auf einer Oberfläche führen, die von kreisförmig abweicht, wenn das Bohren unter einem Winkel gegenüber dieser Oberfläche erfolgt. Demgemäß bedeutet hier, abgesehen von der vorliegenden vereinfachten Darstellung, bei einer Messung zur Ausführung der Erfindung, eine Bezugnahme auf einen kreisförmigen Querschnitt in dem Kanal und nicht notwendigerweise an den Öffnungen. Für Öffnungen und Kanäle mit einem anderen wie kreisförmigen Querschnitt, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf den Fluidstrom durch den Kanal 12 beschrieben, wobei die erste Öffnung 14 eine erste Quer schnittsfläche und die zweite Öffnung 18 eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die um einen Betrag größer ist als die erste Querschnittsfläche, der nicht kleiner ist als eine Verkleinerung der Überzugsquerschnittsfläche, die sich von der teilweisen Ablagerung des Überzugs in dem Kanal 12 an der zweiten Öffnung 18 ergibt.
Eine Ablagerung von Überzugsmaterial in dem Kanal 12 kann auftreten, wenn ein Überzug mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird. Die Menge des so aufgebrachten Überzugs ist, wenigstens teilweise, abhängig von der Richtung, in der der Kanal in der Wand 10 erzeugt wurde und von dem Auftragswinkel. Die ausschnittsweisen Schnittdarstellungen der 2A, 2B zeigen allgemein die Mengen des bei verschiedenen Auftragsorientierungen auf die zweite Oberfläche 20 aufgetragenen Überzugs. Der Kanal und der Überzug sind in 2A unter einem Winkel zu der zweiten Oberfläche erzeugt bzw. aufgetragen und in 2B im Wesentlichen rechtwinklig zu der zweiten Oberfläche. Bei Verwendung von Plasmaspritzen von TBC hat sich gezeigt, dass ein Spritzwinkel, wie er durch gestrichelte Linien und Pfeile 30 veranschaulicht ist, von weniger als etwa 30° zu einem verhältnismäßig schlechten Überzug führt. Die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung richtet deshalb den Spritzwinkel auf mehr als 30° bis etwa 90° bezüglich der zweiten Wandoberfläche 20 ein.
2A zeigt, dass beim Aufspritzen des Überzugs unter einem Winkel, wobei der Strahl von einer Seite zur anderen Seite über die Oberfläche 20 hin und her geht, wie dies in der Praxis allgemein gebräuchlich ist, der Überzug in dem Kanal 12 durch die zweite Öffnung 18 in einer im Wesentlichen ungleichmäßigen Weise abgelagert wird. Eine solche Ablagerung ist abhängig von dem Winkel des Kanals und dem Winkel des Spritzstrahls zu der zweiten Oberfläche 20. Demgemäß kann durch entsprechende Abstimmung des Spritzwinkels auf den konstruktionsbedingten Winkel des Kanals das oben beschriebene Einspritzen von Überzugsmaterial in den Kanal 12 gesteuert werden. 2B zeigt eine spezielle Anordnung, bei der sowohl der Kanal 12 als auch die Spritzrichtung 30 im Wesentlichen rechtwinklig zu der zweiten Oberfläche 20 stehen. Es wurde festgestellt, dass bei dieser Anordnung bei Verwendung von Plasmaspritzen zum Aufbringen von TBC bei dem Spritzauftrag in dem Kanal ein kapillarartiger Effekt auftritt, der dazu führt, dass der Spritzauftrag beim Eindringen in den Kanal zunehmend bis zu dem Punkt abgekühlt wird, bei dem er sich nicht länger auf den Innenwänden des Kanals ablagern kann. Die Erprobung der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass dies bei etwa einem Viertel der Länge des Kanals stattfindet. Ein Verfahren, das zur Bestimmung der Größe der zweiten Öffnung bei einer ausgewählten ersten Öffnung, einem gewählten Beschichtungsverfahren und einem Überzugsdickenbereich verwendet wurde, bestand darin, eine Reihe von Musterkanälen durch Wände einer Reihe von Legierungsmustern zu erzeugen. Sodann wurde der Überzug in einer Reihe von Dicken innerhalb des Dickenbereichs auf die zweite Oberfläche und durch die zweite Öffnung in den Kanal hinein aufgebracht. Die Überzugsmenge in dem Kanal wurde für jede der Reihen als Basis zur Wahl des Größenbereichs der herzustellenden zweiten Öffnung gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, um so eine schädliche Fluidströmungsblockage durch den Kanal zu verhüten.
Bei Gasturbinenteilen, bei denen ein Laser zum Bohren von Löchern in Hochtemperaturlegierungen mit TBC verwendet wird, ist bevorzugt, dass die Löcher auf der kälteren Seite der Gegenstandswand, die die ersten Öffnungen 14 repräsentieren, einen Durchmesser in dem Bereich von etwa 0,0254 bis 0,0762 cm (0,01 bis 0,03'') aufweisen und die Löcher auf der heißeren Seite der Gegenstandswand, auf der der Schutzüberzug aufgebracht ist, einen größeren Durchmesser und zwar in dem Bereich von etwa 0,508 bis 0,1016 cm (0,02 bis 0,04'') aufweisen. Wenn andere Materialabtragungsverfahren bei Gasturbinenteilen, bspw. Elektroentladungsbohrverfahren verwendet werden, können erste Öffnungen mit Durchmessern in dem Bereich von etwa 0, 0254 bis 0, 101 6 cm (0, 01 bis 0, 04'') und zweite Öffnungen in dem Bereich von etwa 0,0508 bis 0,254 cm (0,002 bis 0,1'') verwendet werden. Die bevorzugte Überzugsdicke für TBC auf solchen Gegenständen, die erste Öffnungen in dem Bereich von etwa 0,0254 bis 0,0762 cm (0,001 bis 0,003'') aufweisen, liegt in dem Bereich von etwa 0,0127 cm (0,005'') bis weniger als etwa 0,0381 cm (0,015''), um eine schädliche Verringerung des Fluidstroms zu verhüten.
Die vorliegende Erfindung erzeugt eine zweite Öffnung 18 mit einer Querschnittsfläche, die um einen Betrag größer ist als die Querschnittsfläche der Öffnung 14, der nicht kleiner als die Verringerung der Überzugsquerschnittsfläche ist, die sich von der Teilablagerung des Überzugs in dem Kanal 12 wegen des Überspritzens ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert die Flexibilität zur Steuerung des Auftrags des Überzugs und dessen Überspritzen in Abhängigkeit von dem Winkel des Kanals, der erhöhten Größe der zweiten Öffnung und des Auftragswinkels des Überzugs, um so den von der ersten Öffnung, der Steueröffnung, durch den Kanal bestimmten Fluidstrom zu erhalten.
Bei einer Erprobung der vorliegenden Erfindung wurde eine gereinigte Brennkammerwand von etwa 0,2032 cm (0,080'') Wandstärke und aus handelsüblicher Hastelloy X Legierung unter Verwendung eines gesteuerten Nd:YAG Laserbohrgerätes gebohrt, um eine Anzahl Kanäle von etwa 0,0508 cm (0,02'') durch die Wand herzustellen. Der Laserfokus wurde sodann erweitert, um auf einer Wandoberfläche, die der Oberfläche 20 in der Zeichnung entspricht, eine Anzahl Öffnungen für jeden Kanal von etwa 0,0762 cm (0,03'') zu erzeugen, die jeweils einer zweiten Öffnung 18 in der Zeichnung entsprechen. Das Laserbohren neigt dazu, eine kleine, angeschmolzene Fläche und möglicherweise einige Grate zu erzeugen. Die Kanäle und Öffnungen wurden deshalb durch Abblasen mit einem Brei aus etwa 20 Gewichtsprozent Aluminiumpulver in Wasser entgratet und gereinigt, um damit Anschmelzungen und Gratmaterial sowie Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Sodann wurde die Oberfläche 20, einschließlich der größeren Öffnungen 18, mit einem metallischen Haftvermittlungsüberzug aus einer NiCrAIY Legierung bis zu eine Dicke von etwa 0,01016cm bis 0,01524 cm (0,004 bis 0,006'') versehen. Der Haftvermittlungsüberzug wurde sodann mit einem TBC von, bezogen auf das Gewicht, etwa 92% Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit etwa 8% Yttriumoxid unter Verwendung eines traversierenden Plasmaspritzgerätes mit einer handelsüblich als Metco Plasma Gun 7 MB erhältlichen Plasmaspritzpistole unter einem Winkel von etwa 45° in einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre bis zu einer Dicke von etwa 0,02032 bis 0,0254 cm (0,008 bis 0,10'') beschichtet. Überspritzen bei dem Plasmaspritzen trug TBC in dem Kanal durch die zweite Öffnung 18, wie in 1 dargestellt, auf. Aus diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ergab sich eine Gegenstandswand mit einer Anzahl durchgehender Kühlkanäle und mit einem Schutzüberzug auf einer Oberfläche, dessen Auftrag auch in den Kanälen erfolgte, der aber den Fluidstrom durch den Kanal nicht unter einen Wert absenkt, der durch eine Durchlassöffnung auf einer der beschichtete ten Oberfläche gegenüberliegenden Wandoberfläche bestimmt ist. Bei den vorbeschriebenen relativen Größen der ersten Öffnung von etwa 0,0508 cm (0,02'') und der zweiten Öffnung von etwa 0,0762 cm (0,03'') hätte aber eine TBC Beschichtung von etwa 0,0381 cm (0,015'') den Fluidstrom durch den Kanal verringert. Deshalb muss gemäß der vorliegenden Erfindung die Größe der zweiten Öffnung bei Verwendung von einem TBC mit einer Dicke, die nahe an etwa 0,0381 cm (0,015'') heranreicht, gegenüber den Größen bei diesem Beispiel vergrößert werden.
Wie im Vorstehenden bereits erwähnt, wurde, bei Einsatz von Laserbohren zum Erzeugen des Kanals 12, in einem gesteuerten Durchgang über die Oberfläche 20 eine Kanalvorform mit einem Durchmesser der den Fluidstrom bestimmenden Öffnung 14 gebohrt. Sodann wurde der Laserfokus erweitert, um in einem zweiten gesteuerten Durchgang über die Oberfläche 20 eine größere Öffnung 18 gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Aus dieser Vorgangsweise ergab sich ein kegelförmiger Kanal der in den 1, 2 dargestellten Art.
Zu bemerken ist aber, dass die vorliegende Erfindung auch Kanal- und Öffnungsformen, die anders als kegelförmig sind, mit umfasst, so lange eben die im Vorstehenden beschriebenen relativen Öffnungsgrößen eingehalten sind. In den ausschnittsweisen Schnittdarstellungen A, B, C und D der 3 und der 4 sind einige Beispiele anderer Formgestalten veranschaulicht. In 3A und C kann die zweite Öffnung 18 durch eine Vorgangsweise ähnlich einem Ansenken in der Oberfläche 20 erzeugt werden. In Figur den 3A und D kann die zweite Öffnung 18 durch eine Vorgangsweise erzeugt werden, die die Oberfläche 20 einkerbt. Wie im Vorstehenden erwähnt, brauchen die Querschnitte des Kanals 12 und der Öffnungen 14, 18 nicht die gleiche Gestalt aufzuweisen, noch müssen sie kreisförmig sein, so lange eben die Beziehungen der vorliegenden Erfindung eingehalten bleiben. In der ausschnittsweisen Schnittdarstellung der 4 weist der Kanal 12 an der zweiten Öffnung 18 ungleichförmig gestaltete Wände auf. Dies ist eine Art Ansenkung zur erfindungsgemäßen Aufnahme einer Überzugsmenge 22A in dem Kanal ohne schädliche Verringerung des Fluidstroms durch den Kanal.
Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen, Beispielen und Kombinationen beschrieben. Für den Fachmann versteht sich aber, dass die Erfindung vieler Abwandlungen, Veränderungen und Erweiterungen fähig ist, ohne den in dem beigefügten Patentansprüchen definierten Schutzbereich zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines fluidgekühlten Gegenstands mit einer Wand (10), die einen von einer ersten Öffnung (14) in einer ersten Wandoberfläche (16) zu einer zweiten Öffnung (18) in einer zweiten Wandoberfläche (20) durchgehenden Fluidkühlkanal (12) aufweist, wobei die zweite Wandoberfläche (20) zumindest anschließend an die zweite Öffnung (18), einen Schutzüberzug (22) trägt, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: – Wahl einer ersten Querschnittsfläche (24) für die erste Öffnung (14), um eine gewünschte Größe eines Kühlfluidstroms durch den Fluidkühlkanal (12) festzulegen; – Wahl eines Beschichtungsverfahrens zum Auftragen des Schutzüberzugs (22) auf der zweiten Wandoberfläche (22) wenigstens um die zweite Öffnung (18) herum, wobei das Verfahren einen Überzuganteil (22A) teilweise in dem Kanal (12) bei der zweiten Öffnung (18) aufträgt; und – Wahl eines Überzugdickenbereichs für den Überzug (22) mit dem Beschichtungsverfahren auf der zweiten Wandoberfläche (20) wenigstens rings um die zweite Öffnung (18) herum, gekennzeichnet durch: – Erzeugen des Fluidkühlkanals (12) durch die Wand (10) vor der Beschichtung, wobei der Fluidkühlkanal (12) durch die ganze Wand (10) hindurch eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt aufweist, durch die eine Dosierbohrung derart ausgebildet wird, dass die erste Öffnung (14) des Kühlkanals (12) die erste Querschnittsfläche (24) und die zweite Öffnung (18) des Kühlkanals (12) eine zweite Querschnittsfläche (26) aufweist, die um einen Betrag größer ist als die erste Querschnittsfläche (24), der nicht kleiner ist als eine Verringerung (26-28) der Querschnittsfläche, die sich aus dem teilweisen Auftrag des Überzugs (22A) in dem Kanal (12) an der zweiten Öffnung (18) ergibt, so dass die zweite Öffnung (18) eine Querschnittsfläche aufweist, die nach dem Auftrag des Überzugs zumindest so groß bleibt, wie die Querschnittsfläche der ersten Öffnung (14); und – Auftragen des Überzugs (22) auf der zweiten Wandoberfläche (20) mit dem Beschichtungsverfahren in dem gewählten Überzugsdickenbereich, wenigstens rings um die zweite Öffnung (18) herum derart, dass der Überzug sich rings um deren Umfang in die zweite Öffnung (18) hinein erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach der Wahl der ersten Querschnittsfläche (24) für die erste Öffnung (14), des Beschichtungsverfahrens und der Wahl des Beschichtungsdickenbereichs, die folgenden Schritte ausgeführt werden: – Erzeugen einer Reihe von Musterkanälen (12); – Auftragen des Überzugs (22) in einer Reihe von Überzugsdicken in dem gewählten Dickenbereich auf der zweiten Oberfläche (20) um die zweite Öffnung (18) herum; und – Messen des Überzugsanteils (22A), der in dem Kanal (12) um die zweite Öffnung (18) herum aufgetragen wurde, bei jeder Dickenserie als Basis zur Erzeugung der zweiten Querschnittsfläche (26) der zweiten Öffnung (18) vor dem Auftrag derart, dass sie größer ist als die erste Querschnittsfläche (24) der ersten Öffnung (14).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: – der Schutzüberzug (24) eine Hitzeschildüberzug ist; – der gewählte Durchmesser (24) der ersten Öffnung (14) in dem Bereich von etwa 0,0254 bis 0,1016 cm (0,01 bis 0,04'') liegt; und – der gewählte Durchmesser (24) der zweiten Öffnung (18) in dem Bereich von etwa 0,0508 bis 0,254 cm (0,02 bis 0,1'') liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem – der Kanal (12) durch die Wand (10) unter Verwendung eines Laser hergestellt wird; – der gewählte Durchmesser (24) der ersten Öffnung(14) in dem Bereich von etwa 0,0254 bis 0,0762 cm (0,01 bis 0,03'') liegt; – der gewählte Durchmesser (26) der zweiten Öffnung (18) in dem Bereich von etwa 0,0508 bis 0,1016 cm (0,02 bis 0,04'') liegt; und – der gewählte Überzugdickenbereich auf der zweiten Oberfläche (20) zwischen etwa 0,0127 cm (0,005'') und weniger als etwa 0,0381 cm (0,015'') liegt.