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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft komplexe mehrteilige Keramikkerne
zum Gießen
von Superlegierungs-Tragflächengussstücken, z.B.
Tragflächen mit
mehrfachen gegossenen Wänden
und komplexen Kanälen
für eine
verbesserte Wirksamkeit der Luftkühlung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
meisten Hersteller von Gasturbinentriebwerken evaluieren hochentwickelte
mehrwandige, dünnwandige
Turbinentragflächen
(d.h. Turbinenlauf- oder Turbinenleitschaufeln), welche kompliziert gestaltete
Luftkühlkanäle aufweisen,
um die Wirksamkeit der Tragflächeninnenkühlung zu
verbessern, um einen größeren Triebswerksschub
zu ermöglichen
und eine befriedigende Tragflächenlebensdauer
bereitzustellen.
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Hierzu
beschreiben die US-Patente Nr. 5 295 530 und 5 545 003 hochentwickelte,
mehrwandige, dünnwandige
Turbinenlauf- oder -leitschaufelkonstruktionen, welche kompliziert
gestaltete Luftkühlkanäle aufweisen.
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In
dem US-Patent Nr. 5 295 530 wird eine mehrwandige Kernanordnung
hergestellt durch Beschichten eines ersten dünnwandigen Keramikkerns mit
Wachs oder Kunststoff, Positionieren eines zweiten, ähnlichen
Keramikkerns an dem ersten beschichteten Keramikkern unter Verwendung
von temporären
Positionierstiften, Bohren von Löchern
durch die Keramikkerne, Einführen
eines Positionierstabes in jedes gebohrte Loch mit anschließendem Beschichten
des zweiten Kerns mit Wachs oder Kunststoff. Dieser Ablauf wird
nach Bedarf wiederholt, um die mehrwandige Keramikkernanordnung
aufzubauen.
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Diese
Kernanordnungstechnik ist recht kompliziert, zeitaufwändig und
teuer als eine Folge der Verwendung der mehrfachen Verbindungs-
und anderen Stäbe
und der gebohrten Löcher
in den Kernen zur Aufnahme der Stäbe. Ferner kann diese Kernanordnungstechnik
zu einem Verlust von Maßgenauigkeit
und Wiederholbarkeit der Kernanordnungen und damit der unter Verwendung
derartiger Kernanordnungen hergestellten Tragflächengussstücke führen.
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Die
US-A-5 423 372 offenbart eine Sandkernanordnung, umfassend eine
Mehrzahl von einzelnen Kernelementen, gebildet aus einer Mischung von
Sand und einem Harzbinder, gehärtet
mit einem gasförmigen
Katalysator (Spalte 2, Zeilen 54-57). Um die beiden Kernelemente
so miteinander zu fügen, dass
sie richtig zueinander positioniert sind, werden die Kernelemente
mit genauen zusammenpassenden Flächen
bereitgestellt und montiert, und im Anschluss daran wird ein schnellbindender
organischer Polyamid-Klebstoff in eine Öffnung in mindestens einem
der Kernelemente injiziert, welche einen Teil der zusammenpassenden
Flächen
schneidet, so dass der Klebstoff in Mikrorisse der Kernelemente
einwandert. Die zusammenpassenden Flächen sind durch einen verjüngten Rücksprung
in einem der Kernelemente und einen verjüngten Vorsprung des anderen Kernelementes
bereitgestellt.
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Die
US-A-5 222 544 offenbart ferner eine Sandkernanordnung mit mehreren
einzelnen Sandkernelementen, gebildet aus einer Mischung von Sand
und einem Binder, bei dem es sich um ein warmgehärtetes Furanharz handelt (Spalte
2, Zeilen 56-58). Zwei benachbarte zu fügende Kernelemente weisen flache Grenzflächen und
ineinandergreifende Vorsprünge
und Rücksprünge auf,
und zum Binden der Kernelemente aneinander wird nur die flache Grenzfläche eines
der Kernelemente mit einer Paste beschichtet, woraufhin die Kernelemente
montiert werden und die Paste einer Mikrowellenenergie unterworfen
wird.
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Die
US 5 394 932 offenbart,
dass grüne Kernelemente
gefügt
und dann gesintert oder gebrannt werden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer
mehrwandigen Keramikkernanordnung und eines Verfahren zu deren Herstellung
für die
Verwendung beim Gießen
von hochentwickelten mehrwandigen, dünnwandigen Turbinentragflächen (z.B.
Turbinenlaufschaufel- oder -leitschaufelgussstücke), welche komplexe Luftkühlkanäle aufweisen
können,
um die Wirksamkeit der Tragflächeninnenkühlung zu
verbessern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung
einer mehrwandigen Keramikkernanordnung und eines Verfahrens zu
deren Herstellung für
die Verwendung beim Gießen
von hochentwickelten mehrwandigen, dünnwandigen Turbinentragflächen, wobei
eine mehrteilige Kernanordnung in neuartiger Weise gebildet wird,
welche die Nachteile der bisherigen Kernanordnungstechniken überwindet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende, in den Ansprüchen
dargelegte Erfindung stellt in einer beispielhaften Ausführungsform
eine mehrwandige Keramikkernanordnung und ein Verfahren zu deren
Herstellung bereit, umfassend das Bilden einer Mehrzahl von einzelnen dünnwandigen,
bogenförmigen
(z.B. tragflächenförmigen)
Kernelementen in entsprechenden Mutterformen, derart, dass sie integrale
ineinandergreifende Positionierelemente und Keramikklebstoffeintrittslöcher aufweisen,
Vorbrennen der einzelnen Kernelemente in entsprechenden Keramikkerntrockenstützen, Zusammenmontieren
der vorgebrannten Kernelemente unter Verwendung der Positionierelemente benachbarter
Kernelemente, um die richtige Positionierung der Kernelemente relativ
zueinander zu bewirken, und Miteinanderverkleben der montierten Kernelemente
unter Verwendung von Keramikklebstoff, der durch die vorgeformten
Klebstoffeintrittslöcher
in die inneren Fugen eingeführt
wird, die zwischen zusammenpassenden, ineinandergreifenden Positionierelementen
definiert sind.
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Die
so hergestellte mehrwandige Keramikkernanordnung umfasst die Mehrzahl
von voneinander beabstandeten, dünnwandigen,
bogenförmigen (z.B.
tragflächenförmigen)
Kernelementen, welche durch die integralen ineinandergreifenden
Positionierelemente relativ zueinander positioniert und durch Keramikklebstoff
an den inneren Fugen, welche zwischen den ineinandergreifenden Positionierelementen
definiert sind, zusammengefügt
sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil die Keramikkernelemente
mit den ineinandergreifenden Positionierelementen nach konventionellen Spritzgieß- oder
Spritzpressverfahren unter Verwendung geeigneter Keramikaufschlämmungen
gebildet werden können,
weil das Vorbrennen der Kernelemente ihre Dimensionsstabilität verbessert
und ihre Prüfung
vor Montage erlaubt, um als eine Folge davon die Ausbeute akzeptabler
Keramikkernanordnungen zu verbessern und die Kosten der Kernanordnung
zu vermindern, und weil hohe Maßgenauigkeit
und Wiederholbarkeit der Kernanordnungen erzielbar sind.
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BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 ist
eine Schnittdarstellung einer mehrteiligen Keramikkernanordnung
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine Schnittdarstellung eines einzelnen Kernelementes auf einer
Keramikkerntrockenstütze
zum Kernbrennen.
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3 ist
eine Schnittdarstellung der Kernanordnung mit Keramikklebstoff an
den Fugen und in den vorgeformten Klebstoffeintrittslöchern.
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4 ist
eine Schnittdarstellung, welche die Kernanordnung zeigt, wobei ein
Wachsmodell um die Kernelemente herum gebildet ist.
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5 ist
eine Schnittdarstellung, welche die Kernanordnung zeigt, um die
herum eine keramische Feingießschalenform
aufgebaut ist, wobei das Wachsmodell entfernt ist.
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6 ist
eine perspektivische Darstellung des einzelnen Kernelementes, wobei
ein beispielhaftes Muster von vorgeformten Positionierelementen an
der Innenfläche
gezeigt ist.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird nun auf die 1 bis 6 Bezug genommen,
gemäß welchen
die vorliegende Erfindung in einer beispielhaften Ausführungsform
eine mehrwandige Keramikkernanordnung 10 und ein Verfahren
zu deren Herstellung bereitstellt zur Verwendung beim Gießen einer
mehrwandigen, dünnwandigen
Tragfläche
(nicht gezeigt), welche eine Turbinenlauf- und -leitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk
umfasst. Die Turbinenlauf- oder -leitschaufel kann gebildet werden
durch Gießen
einer geschmolzenen Superlegierung, z.B. einer bekannten Nickel-
oder Cobaltbasis-Superlegierung, in einer keramischen Feingießschalenform
M, worin die Kernanordnung 10 positioniert ist, wie in 5 gezeigt.
Die geschmolzene Superlegierung kann in der Form M um den Kern 10 herum
gerichtet erstarren gelassen werden, wie hinreichend bekannt, um
ein Stängelkorn-
oder Einkristall-Gussstück mit der
Keramikkernanordnung 10 darin herzustellen. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die geschmolzene Superlegierung in der Form M so
zu verfestigen, dass ein Gusstück
mit gleichachsigem Korn entsteht, wie hinreichend bekannt. Die Kernanordnung 10 wird
durch chemisches Auslaugen oder andere geeignete Techniken entfernt,
um die gegossene Tragfläche
mit Innenkanälen
in den Regionen, die zuvor von den Kernelementen C1, C2, C3 belegt
waren, zu hinterlassen, wie im Folgenden erläutert.
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Gemäß 1 umfasst
eine beispielhafte Kernanordnung 10 gemäß vorliegender Erfindung mehrere
(drei Stück
gezeigt) einzelne dünnwandige, bogenförmige Kernelemente
C1, C2, C3, welche integrale, vorgeformte, ineinandergreifende Positionierelemente
aufweisen, die zylindrische (oder anders geformte) Vorsprünge oder
Pfosten 10a an den Kernelementen C1, C2 und komplementäre zylindrische
Rücksprünge oder
Senkbohrungen 10b an den Kernelementen C2, C3 aufweisen,
wie gezeigt. Die Pfosten 10a sind in den Rücksprüngen 10b wie
gezeigt mit einem typischen Zwischenraum von 0,002 bis 0,004 Inch
pro Seite (radialer Zwischenraum) aufgenommen, wie in 3 gezeigt,
um innere Fugen J der Kernanordnung 10 zu definieren. Der
Zwischenraum zwischen dem Ende eines Pfostens 10 und dem
passenden Rücksprung 10b liegt
im Bereich von 0,015 bis 0,020 Inch, um hierzwischen einen Hohlraum 10c zur
Aufnahme von Klebstoff zu bilden, wie im Folgenden beschrieben.
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Die
Pfosten 10a und Rücksprünge 10b sind in
komplementären
Mustern an den Kernelementen C1, C2, C3 in einer Weise angeordnet,
dass zwischen den Pfosten 10a und den Rücksprüngen 10b eine passende
Verbindung hergestellt wird, und bewirken, dass die Kernelemente
in einer vorgeschriebenen Beziehung zueinander gefügt werden,
um innere gegossene Wände
und innere Kühlluftkanäle in einer
um die Kernanordnung 10 in der Form M zu gießenden Trägfläche zu bilden; 5.
Ein beispielhaftes Muster von Pfosten 10a an dem Kernelement
C1 ist in 6 gezeigt.
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Die
Kernelemente C1, C2, C3 sind zur Bildung von Räumen S1, S2 hierzwischen durch
integrale, an gegenüberliegenden
Kernflächen
angeformte Höcker
CB gemäß US-Patent
Nr. 5 296 308, dessen Lehren hierfür in den folgenden Text aufgenommen
werden, voneinander beabstandet. Die Räume S1, S2 werden letztlich
mit geschmolzener Superlegierung gefüllt, wenn die Superlegierung
um die Kernanordnung 10 herum in der Form M vergossen wird.
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Die
einzelnen, dünnwandigen,
bogenförmigen
Kernelemente C1, C2, C3 werden in entsprechenden Mutterformen (nicht
gezeigt) so geformt, dass sie die gezeigte bogenförmige Konfiguration und
die ineinandergreifenden Positionierelemente 10a, 10b integral
daran vorgeformt aufweisen. Die Kernelemente C1, C3 sind mit Klebstoffeintrittslöchern 10d ausgebildet,
welche mit einem entsprechenden Hohlraum 10c wie gezeigt
in Verbindung stehen zu Zwecken, die noch zu beschreiben sind. Die
Kernelemente können
mit der bogenförmigen Konfiguration
und den integralen Positionierelementen und Klebstoffeinspritzlöchern, wie
beispielhaft dargestellt, durch Spritzgießen hergestellt werden, wobei
eine Keramikaufschlämmung
in eine entsprechende Mutterform injiziert wird, die so konfiguriert
ist wie die entsprechenden Kernelemente C1, C2, C3. Das heißt, für jedes
Kernelement C1, C2, C3 wird eine Mutterform bereitgestellt, um das
betreffende Kernelement mit den geeignet positionierten Positionierelementen 10a und/oder 10b und
Eintrittslöchern 10d zu
bilden. Das US-Patent Nr. 5 296 308 beschreibt das Spritzgießen von
Keramikkernen mit integral ausgebildeten Elementen und wird durch
Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Kernelemente unter Verwendung von Kern-Formgießverfahren,
Schlickergussverfahren oder mit anderen Techniken zu bilden, da
die Erfindung nicht auf eine bestimmte Technik zum Kernformen beschränkt ist.
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Bei
der Herstellung einer Kernanordnung 10 zum Gießen einer
Superlegierungs-Tragfläche, z.B. einer
Lauf- oder Leitschaufel für
ein Gasturbinentriebwerk, weisen die Kernelemente C1, C2, C3 ein im
Wesentlichen tragflächenförmiges Querschnittsprofil
mit konkaven und konvexen Seiten und Vorderkanten und Hinterkanten
auf, die komplementär zu
der zu gießenden
Tragfläche
sind, wie für
den Fachmann erkennbar sein wird.
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Die
Keramikkernelemente C1, C2, C3 können
Siliciumoxid-basierte, Aluminiumoxid-basierte, Zircon-basierte,
Zirconoxid-basierte oder andere geeignete keramische Kernmaterialien
und Mischungen hiervon umfassen, wie dem Fachmann bekannt. Das jeweilige
Keramikkernmaterial bildet nicht Teil der Erfindung, wobei geeignete
Keramikkernmaterialien in dem US-Patent Nr. 5 394 932 beschrieben sind.
Das Kernmaterial ist so gewählt,
dass es aus dem Tragflächengussstück, welches
um es herum geformt ist, chemisch auslaugbar ist, wie im Folgenden
beschrieben.
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Nach
dem Formen werden die einzelnen grünen (ungebrannten) Kernelemente
allseitig visuell geprüft,
bevor sie weiterverarbeitet werden, so dass fehlerhafte Kernelemente
verworfen werden können und
nicht in der Herstellung der Kernanordnung 10 verwendet
werden. Diese Möglichkeit,
die Außenflächen der
einzelnen Kernelemente prüfen
zu können, ist
vorteilhaft, um die Ausbeute akzeptabler Kernanordnungen 10 erhöhen und
die Kosten der Kernanordnung vermindern zu können.
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Nach
Entnahme aus den entsprechenden Mutterformen und Prüfung werden
die einzelnen grünen
Kernelemente bei erhöhter
Temperatur in entsprechenden Sätzen
von Keramikkerntrockenplatten 20, 21 vorgebrannt
(in 2 ein Satz lediglich als Beispiel gezeigt). Jede
Keramikkerntrockenplatte 20 umfasst eine obere Stützfläche 20a,
die so konfiguriert ist, dass sie die benachbarte Fläche des
während
des Brennens auf ihr ruhenden Kernelementes (z.B. Kernelement C1
in 3) stützt,
während
die Kerntrockenplatte 21 auf dem Kernelement sitzt. Die Unterseite
der Keramikkerntrockenplatte 20 wird auf konventionellem
Ofenzubehör
angeordnet, so dass ein konventioneller Kernbrennofen mit mehrfachen Kernelementen
beschickt werden kann, um diese unter Verwendung konventioneller
Kernbrennparameter in Abhängigkeit
von dem jeweils verwendeten Keramikmaterial des Kernelementes zu
brennen.
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Nach
Entnahme aus dem Brennofen werden die vorgebrannten Kernelemente
C1, C2, C3 zusammenmontiert unter Verwendung der vorgeformten Positionierelemente 10a, 10b benachbarter
Kernelemente C1, C2 und C2, C3, um die richtige Kernelementpositionierung
und -beabstandung zueinander in der Haltevorrichtung zu bewirken.
Die Kernelemente können
manuell auf einer Haltevorrichtung montiert werden oder durch geeignete
Robotereinrichtungen montiert werden.
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Die
montierten Kernelemente C1, C2, C3 werden in einer Haltevorrichtung
oder Schablone mit Schablonengliedern TM, die beweglich sind, um
an den Kernelementen anzugreifen und sie relativ zueinander zu positionieren,
unter Verwendung eines Keramikklebstoffs 30, der an zwischen
den zusammenpassenden Positionierelementen 10a, 10b definierten
Fugen J eingeführt
wird, miteinander verklebt. Der Keramikklebstoff 30 kann
einen kommerziell erhältlichen
Aluminiumoxid-basierten, Siliciumoxid-basierten oder einen anderen
pastenartigen Keramikklebstoff für
konventionelle Keramikkernmaterialien umfassen und wird in die inneren
Fugen J eingeführt mittels
einer Spritze, die in Klebstoffeintrittslöcher 10d eingeführt wird,
welche in den Kernelementen C1, C3 ausgebildet sind und mit den
inneren Fugen J in Verbindung stehen. Wie gezeigt können die
Fugen J eine Pfosten-in-Senkbohrung-Konfiguration aufweisen, bei
der ein kleiner Klebstoffaufnahmehohlraum 10c zwischen
dem Ende jedes Pfostens 10a und dem Boden jedes zusammenpassenden
Rücksprungs 10b definiert
ist. Der Klebstoff wird eingeführt,
um jedes Eintrittsloch 10d und den zugehörigen Hohlraum 10c mit
Klebstoff zu füllen.
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Der
Keramikklebstoff wird härten
gelassen, während
sich die montierten Kernelemente C1, C2, C3 in der Haltevorrichtung
oder Schablone befinden, um die mehrwandige Keramikkernanordnung 10 herzustellen.
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Nach
Härten
des Keramikklebstoffs wird die Kernanordnung 10 aus der
Haltevorrichtung oder Schablone entnommen, indem die beweglichen
Glieder TM zurückgezogen
werden, um die geklebte Kernanordnung weiterverarbeiten zu können. Die Klebstoffeintrittslöcher 10d können, falls
notwendig, mit demselben Keramikklebstoff auf ein Niveau gefüllt werden,
das mit den äußeren Oberflächen jedes Kernelementes übereinstimmt.
Ferner kann zusätzlicher
Keramikklebstoff verwendet werden, um Fugenlinien zu füllen, wo
Kernelemente miteinander in Eingriff stehende oder ineinandergestellte
Oberflächen aufweisen,
in zu bedruckenden Kernbereichen oder anderen Oberflächenbereichen
der Kernaußenflächen, wobei
der Klebstoff geglättet
wird, so dass er eben mit der Kernaußenfläche ist.
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Die
so hergestellte mehrwandige Keramikkernanordnung 10 umfasst
die Mehrzahl von voneinander beabstandeten, dünnwandigen, bogenförmigen (tragflächenförmigen)
Kernelemente C1, C2, C3, welche durch die integralen ineinandergreifenden Positionierelemente 10a, 10b relativ
zueinander positioniert und mittels Keramikklebstoff 30 an
den zwischen den ineinandergreifenden Positionierelementen definierten
internen Fugen J miteinander gefügt sind.
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Die
mehrwandige Keramikkernanordnung 10 wird dann weiterverarbeitet,
um eine Feingießschalenform
um sie herum zu bilden zur Verwendung beim Gießen von Superlegierungs-Tragflächen. Insbesondere
wird ein aufbrauchbares Modellwachs, Kunststoff oder anderes Material
in die Räume
S1, S2 und um die Kernanordnung 10 herum eingeführt, um
eine Kern-/Modell-Anordnung zu bilden. Typisch wird die Kernanordnung 10 zu
diesem Zweck in eine Modellform platziert und geschmolzenes Wachs
W um die Kernanordnung M herum und in die Räume S1, S2 injiziert, um eine
gewünschte
mehrwandige Turbinenlauf- oder -leitschaufelkonfiguration zu bilden; 4.
Um die Kern-/Modell-Anordnung wird dann in dem wohlbekannten Verfahren
nach dem "verlorenen
Wachsmodell" ein
keramisches Formmaterial aufgebaut durch Tauchen in eine Keramikaufschlämmung, Ablaufenlassen
von überschüssiger Aufschlämmung und
Versehen mit einem grobkörnigen
keramischen Stucco, bis eine Schalenform auf der Kern-/Modell-Anordnung
in der gewünschten
Dicke aufgebaut ist. Die Schalenform wird dann bei erhöhter Temperatur
gebrannt, um Formfestigkeit für das
Gießen
zu entwickeln, und das Modell wird durch thermische oder chemische
Auflösungstechniken
selektiv entfernt, so dass die Schalenform M mit der darin befindlichen
Kernanordnung 10 übrig
bleibt; 5.
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Sodann
wird eine geschmolzene Superlegierung in die Form M mit der Kernanordnung 10 darin unter
Anwendung konventioneller Gießtechniken
eingeführt.
Die geschmolzene Superlegierung kann in der Form M um die Kernanordnung 10 herum
gerichtet erstarren gelassen werden, um ein Stängelkorn- oder Einkristall-Tragflächengussstück herzustellen. Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die geschmolzene Superlegierung so erstarren zu lassen,
dass ein Tragflächengussstück mit gleichachsigem
Korn entsteht. Die Form M wird von dem erstarrten Gussstück durch
einen mechanischen Ausleervorgang entfernt, an den sich ein oder
mehrere bekannte chemische Laugeverfahren oder mechanische Sandstrahlverfahren
anschließen.
Die Kernanordnung 10 wird von dem erstarrten Tragflächengussstück durch
chemisches Auslaugen oder andere konventionelle Techniken zum Entkernen
selektiv entfernt. Die zuvor von den Kernelementen C1, C2, C3 eingenommenen Räume umfassen
innenliegende Kühlluftkanäle in dem
Tragflächengussstück, während die
Superlegierung in den Räumen
S1, S2 Innenwände
der Tragfläche
bildet, welche die Kühlluftkanäle voneinander trennen.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil die Keramikkernelemente
C1, C2, C3 mit den ineinandergreifenden Positionierelementen 10a, 10b durch
konventionelle Spritzgieß-
oder andere Formgebungstechniken unter Verwendung geeigneter Keramikaufschlämmungen
gebildet werden können
und weil das Vorbrennen der Kernelemente deren Dimensionsstabilität verbessert
und ihre Prüfung
vor Montage erlaubt, um als eine Folge davon die Ausbeute an akzeptablen
Keramikkernanordnungen zu verbessern und die Kosten der Kernanordnung
zu vermindern.