EP1593445B1 - Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils mit Innenbeschichtung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils mit Innenbeschichtung Download PDF

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EP1593445B1 EP04010492A EP04010492A EP1593445B1 EP 1593445 B1 EP1593445 B1 EP 1593445B1 EP 04010492 A EP04010492 A EP 04010492A EP 04010492 A EP04010492 A EP 04010492A EP 1593445 B1 EP1593445 B1 EP 1593445B1
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a hollow cast component, in particular a hollow cast turbine blade, with internal coating on the walls of at least one cavity.
  • Thermally highly stressed components can be provided on their outside with a coating to protect them in a thermally stressful environment against corrosion and / or oxidation.
  • MCrAlY coatings are suitable as protection against oxidation and / or corrosion.
  • an MCrAlY coating is to be understood as meaning a coating of a metallic alloy which comprises chromium (Cr) and aluminum (Al) and in which Y stands for yttrium or a rare earth element and M for iron ( Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni).
  • Turbine blades are exposed to high temperatures during operation and usually have cavities through which cooling fluid is passed. Under certain operating conditions, these cavities may experience temperatures that require protection of the interior walls against oxidation and / or corrosion.
  • Another object of the present invention is to provide an improved hollow molded turbine component.
  • the first object is achieved by a method according to claim 1 and the second object by a hollow-cast turbine component according to claim 7.
  • the component is cast from a base material.
  • a mold is used which comprises at least one casting core for defining the at least one cavity.
  • the coating material for the internal coating of the component prior to casting of the component on at least one casting core applied. After casting, the casting core is then removed again from the cavity.
  • the inner coating is first produced, and then the component is cast around it.
  • an inner coating in particular with an MCrAlY inner coating
  • the material of the casting core is chosen such that it can be removed from the cavity of the finished component, without the coating material is removed with.
  • Particularly suitable materials for the casting core are those materials which can be removed from the cavity by means of chemical processes which do not attack the coating material and the base material of the component.
  • materials for casting cores for casting turbine components such as turbine blades, ceramic materials are therefore particularly suitable.
  • the casting temperature during casting of the component is chosen in particular such that it lies below the melting temperature of the coating material in order to prevent melting of the coating material during the casting process, and thus mixing with the base material of the component.
  • the application of the coating material to the casting core can be carried out, for example, by means of high-energy spraying processes, such as, for example, the high-speed flame tips (English: High-speed flame spraying) Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF for short) or plasma spraying (APS for short).
  • high-energy spraying processes such as, for example, the high-speed flame tips (English: High-speed flame spraying) Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF for short) or plasma spraying (APS for short).
  • a hollow-cast turbine blade according to the invention has at least one cavity and an inner coating present in the cavity, in particular an MCrAlY coating.
  • this hollow-cast turbine component Due to the internal coating of the hollow-cast turbine component, this hollow-cast turbine component according to the prior art has an improved oxidation and corrosion property. It can therefore be exposed to higher temperatures.
  • FIG. 1 shows a hollow-cast turbine component in a schematic representation.
  • FIGS. 2-7 show in a highly schematic representation various stages of production of the hollow-cast turbine blade.
  • FIG. 1 schematically shows a hollow-cast turbine blade 1 in a sectional view.
  • the turbine blade 1 comprises a blade body 2, in which in the present embodiment, four cavities 3, 5, 7, 9 are formed, which are used, for example, for passing cooling air.
  • the blade body 2 has an outer surface 12 which is provided with an MCrAlY coating for protection against oxidation and / or corrosion.
  • the blade body 2 has inner surfaces 4, 6, 8, 10, which delimit the cavities 3, 5, 7, 9 and form the inner walls of the cavities.
  • the inner surfaces 4, 6, 8, 10 are also provided with an MCrAlY coating 14, 16, 18, 20 to protect them against oxidation and / or corrosion.
  • the method for producing the turbine blade 1 described with reference to FIG. 1 will be explained below with reference to FIGS. 2 to 7. However, the method can also be used for internal coating of other hollow cast components.
  • a ceramic casting core 22 is molded and sintered for the mold for making the turbine blade Fig. 2).
  • an MCrAlY coating 14 is applied to the ceramic core 22.
  • a high-energy spraying method such as high-speed flame tips (HVOF) or plasma spraying (APS), can be used for this purpose.
  • the thickness with which the MCrAlY coating 14 is applied to the casting core depends on the thickness with which the inner walls of the turbine blade are to be coated.
  • a wax pattern 24 of the turbine blade is molded onto the casting core 22 ( Figure 4). Subsequently, the outer shell 26 of the mold is applied to the wax model 24. Thereafter, the wax is burned out and the casting shell 26 is sintered to complete the casting mold 28 ( Figure 5).
  • Turbine blade casting typically occurs at effusion temperatures below 1500 ° C.
  • the melting point of the MCrAlY coating 14 is typically above 1600 ° C. A melting of the coating 14 during the casting process and thus a mixing of the coating material with the base material of the turbine blade 1 therefore does not take place.
  • the casting temperatures must be below the melting temperature of the coating material, if a melting of the coating and mixing with the base material to be avoided.
  • the casting shell 26 is cut off and the blade 1 is cleaned (FIG. 6).
  • the casting core 22 is leached, i. the ceramic casting core 22 is removed from the solidified turbine blade 1 by means of an alkali. Since the MCrAlY coating 14, like the blade material, is resistant to the leaches used, the MCrAlY coating 14 remains on the inside of the turbine blade 1 during leaching of the ceramic casting core 22 ( Figure 7). In the following, the turbine blade produced in this way can be mechanically processed in the usual way and coated on the outside.
  • the described method is not only suitable for the inner coating of turbine blades, but in principle also for the inner coating of other hollow-cast components. It is also possible to use the process for applying coatings other than MCrAlY coatings. Also, the casting core does not necessarily need to be made of a ceramic material. It only has to be ensured that the casting core can be removed without removing the coating applied to the inside of the workpiece.
  • the tools for making the casting cores or the wax models must be corrected by the thickness of the protective layer in order to ensure the specified wall thicknesses of the hollow-cast component.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils, insbesondere einer hohlgegossenen Turbinenschaufel, mit Innenbeschichtung an den Wänden mindestens eines Hohlraums.
  • Thermisch hochbelastete Bauteile können an ihrer Außenseite mit einer Beschichtung versehen werden, um sie im thermisch belastenden Umfeld gegen Korrosion und/oder Oxidation zu schützen. Als Schutz gegen Oxidation und/oder Korrosion sind dabei insbesondere MCrAlY-Beschichtungen geeignet. Unter einer MCrAlY-Beschichtung soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Beschichtung aus einer metallischen Legierung zu verstehen sein, die Chrom (Cr) und Aluminium (Al) umfasst, und in der Y für Yttrium oder ein Element der seltenen Erden und M für Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) stehen.
  • Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind aber auch die Innenwände im thermisch hochbelastenden Umfeld betriebener hohlgegossener Bauteile Temperaturen ausgesetzt, die einen Schutz der Innenwände gegen Oxidation und/oder Korrosion notwendig machen, damit das Bauteil die vorgesehene Lebensdauer auch tatsächlich erreicht.
  • Ein Beispiel für derart thermisch hoch belastete hohlgegossene Bauteile sind Turbinenbauteile, insbesondere Turbinenschaufeln. Turbinenschaufeln sind im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt und weisen in der Regel Hohlräume auf, durch die Kühlfluid geleitet wird. Bei bestimmten Betriebsbedingungen können in diesen Hohlräumen Temperaturen auftreten, die einen Schutz der Innenwände gegen Oxidation und/oder Korrosion erfordern.
  • Bisher wurden die Innenwände hohlgegossener Bauteile durch eine Diffusionsalitierung mehr oder weniger zufriedenstellend geschützt. Mit zunehmenden Betriebstemperaturen erreichen diese Alitierungen jedoch ihre Grenzen, und gegen Korrosion sind sie praktisch wirkungslos.
  • Mit herkömmlichen Methoden ist es nahezu unmöglich, in den zum Teil recht komplizierten Hohlräumen bzw. Innenräumen hohlgegossener Bauteile, etwa in den Hohlräumen von Turbinenschaufeln, insbesondere wirkungsvolle MCrAlY-Beschichtungen aufzubringen. Für das Beschichten der Innenwände hohlgegossener Bauteile lassen sich Spritzprozesse nicht zufriedenstellend einsetzen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich Innenbeschichtungen, insbesondere MCrAlY-Innenbeschichtungen, bei hohlgegossenen Bauteilen auch bei komplexen Hohlräumen realisieren lassen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbessertes hohlgegossenes Turbinenbauteil zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch ein hohlgegossenes Turbinenbauteil nach Anspruch 7 gelöst.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils mit Innenbeschichtung in mindestens einem Hohlraum wird das Bauteil aus einem Basismaterial gegossen. Beim Gießen findet eine Gießform Verwendung, welche mindestens einen Gusskern zum Definieren des mindestens einen Hohlraumes umfasst. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Beschichtungsmaterial für die Innenbeschichtung des Bauteils vor dem Gießen des Bauteils auf mindestens einen Gusskern aufgebracht. Nach dem Gießen wird der Gusskern dann wieder aus dem Hohlraum entfernt.
  • Erfindungsgemäß wird also zuerst die Innenbeschichtung hergestellt, und dann das Bauteil darum herumgegossen. Auf diese Weise können auch äußerst komplexe Hohl- bzw. Innenräume von Bauteilen, etwa von hohlgegossenen Gasturbinenschaufeln, mit einer Innenbeschichtung, insbesondere mit einer MCrAlY-Innenbeschichtung, versehen werden. Das Material des Gusskerns ist dabei derart gewählt ist, dass es sich aus dem Hohlraum des fertigen Bauteils entfernen lässt, ohne dass das Beschichtungsmaterial mit entfernt wird.
  • Als Materialien für den Gusskern eignen sich insbesondere solche Materialien, die sich mittels chemischer Verfahren, welche das Beschichtungsmaterial und das Basismaterial des Bauteils nicht angreifen, aus dem Hohlraum entfernen lassen. Bspw. lassen sich keramische Gusskerne herstellen, die mittels einer geeigneten Lauge, welche eine MCrAlY-Beschichtung sowie das Basismaterial von Turbinenbauteilen nicht angreift, aus Hohlräumen der Turbinenbauteile entfernt werden. Als Materialen für Gusskerne zum Gießen von Turbinenbauteilen, wie etwa Turbinenschaufeln, eignen sich daher insbesondere keramische Werkstoffe.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gießtemperatur beim Abguss des Bauteils insbesondere so gewählt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials liegt, um ein Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials während des Gießprozesses, und damit eine Vermischung mit dem Basismaterial des Bauteils zu unterbinden.
  • Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf den Gusskern kann beispielsweise mittels hochenergetischer Spritzverfahren wie etwa dem Hochgeschwindigkeitsflammspitzen (engl. High Velocity Oxygen Fuel Spraying, kurz: HVOF) oder Plasmaspritzen (kurz: APS) erfolgen.
  • Eine erfindungsgemäße hohlgegossene Turbinenschaufel weist mindestens einen Hohlraum und eine im Hohlraum vorhandene Innenbeschichtung, insbesondere eine MCrAlY-Beschichtung auf.
  • Aufgrund der Innenbeschichtung des hohlgegossenen Turbinenbauteils weist dieses gegenüber hohlgegossenen Turbinenbauteilen nach Stand der Technik eine verbesserte Oxidations- und Korrosionseigenschaft auf. Es kann daher höheren Temperaturen ausgesetzt werden.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur.
  • Fig. 1 zeigt ein hohlgegossenes Turbinenbauteil in einer schematischen Darstellung.
  • Figuren 2 - 7 zeigen in einer stark schematisierten Darstellung verschiedene Stadien der Herstellung der hohlgegossenen Turbinenschaufel.
  • In Figur 1 ist schematisch eine hohlgegossene Turbinenschaufel 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelkörper 2, in welchem im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Hohlräume 3, 5, 7, 9 ausgebildet sind, die bspw. zum Durchleiten von Kühlluft verwendet werden. Der Schaufelkörper 2 weist eine Außenfläche 12 auf, die zum Schutz gegen Oxidation und/oder Korrosion mit einer MCrAlY-Beschichtung versehen ist. Daneben weist der Schaufelkörper 2 Innenflächen 4, 6, 8, 10 auf, welche die Hohlräume 3, 5, 7, 9 begrenzen und die Innenwände der Hohlräume bilden. Die Innenflächen 4, 6, 8, 10 sind ebenfalls mit einer MCrAlY-Beschichtung 14, 16, 18, 20 versehen, um auch sie gegen Oxidation und/oder Korrosion zu schützen.
  • Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen der mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Turbinenschaufel 1 anhand der Figuren 2 bis 7 erläutert. Das Verfahren kann jedoch auch zum Innenbeschichten anderer hohlgegossener Bauteile Verwendung finden.
  • Als erstes wird ein keramischer Gusskern 22 für die Gießform zum Herstellen der Turbinenschaufel geformt und gesintert Fig. 2). Im nächsten Schritt (Fig. 3) wird eine MCrAlY-Beschichtung 14 auf den keramischen Gusskern 22 aufgebracht. Dazu kann beispielsweise ein hochenergetisches Spritzverfahren, etwa Hochgeschwindigkeitsflammspitzen (HVOF) oder Plasmaspritzen (APS), zum Einsatz kommen. Die Dicke, mit der die MCrAlY-Beschichtung 14 auf den Gusskern aufgetragen wird, hängt dabei von der Dicke ab, mit der die Innenwände der Turbinenschaufel beschichtet werden sollen.
  • Nachdem der Gusskern beschichtet worden ist, wird ein Wachsmodell 24 der Turbinenschaufel an den Gusskern 22 angespritzt (Fig. 4). Anschließend wird die äußere Gussschale 26 der Form auf das Wachsmodell 24 aufgebracht. Danach wird das Wachs ausgebrannt und die Gussschale 26 gesintert, um die Gießform 28 fertigzustellen (Fig. 5).
  • Nachdem die Gießform 28 fertiggestellt ist, erfolgt das Gießen der Turbinenschaufel 1 im Vakuum. Das Gießen der Turbinenschaufel findet typischerweise bei Abgusstemperaturen von unter 1500 °C statt. Der Schmelzpunkt der MCrAlY-Beschichtung 14 liegt dagegen typischerweise oberhalb von 1600 °C. Ein Aufschmelzen der Beschichtung 14 während des Gießprozesses und damit ein Vermischen des Beschichtungsmaterials mit dem Basismaterial der Turbinenschaufel 1 findet daher nicht statt. Auch bei Verwendung anderer Beschichtungen als der MCrAlY-Beschichtung müssen die Gießtemperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials liegen, wenn ein Aufschmelzen der Beschichtung und ein Vermischen mit dem Basismaterial vermieden werden soll.
  • Nach dem Abschluss des Gießens wird die Gussschale 26 abgeschlagen und die Schaufel 1 gereinigt (Fig. 6). Schließlich wird der Gusskern 22 ausgelaugt, d.h. der keramische Gusskern 22 wird mittels einer Lauge aus der erstarrten Turbinenschaufel 1 entfernt. Da die MCrAlY-Beschichtung 14 genauso wie der Schaufelwerkstoff gegen die verwendeten Laugen resistent ist, verbleibt die MCrAlY-Beschichtung 14 beim Auslaugen des keramischen Gusskerns 22 auf der Innenseite der Turbinenschaufel 1 (Fig. 7). Im Folgenden kann die so hergestellte Turbinenschaufel in üblicher Weise mechanisch bearbeitet und außen beschichtet werden.
  • Das beschriebene Verfahren eignet sich nicht nur zum Innenbeschichten von Turbinenschaufeln, sondern grundsätzlich auch zum Innenbeschichten anderer hohlgegossener Bauteile. Ebenso ist es möglich, das Verfahren zum Aufbringen anderer Beschichtungen als MCrAlY-Beschichtungen zu nutzen. Auch braucht der Gusskern nicht notwendigerweise aus einer keramischen Werkstoff hergestellt zu sein. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass das der Gusskern entfernt werden kann, ohne dass die auf die Innenseite des Werkstückes aufgebrachte Beschichtung mit entfernt wird.
  • Bei den Werkzeugen zur Herstellung der Gusskerne bzw. der Wachsmodelle ist zu beachten, dass diese um die Dicke der Schutzschicht korrigiert werden müssen, um die spezifizierten Wanddicken des hohlgegossenen Bauteils zu gewährleisten.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils (1), insbesondere eines hohlgegossenen Turbinenbauteils, mit Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) in mindestens einem Hohlraum (3, 5, 7, 9), bei dem
    - das Bauteil (1) aus einem Basismaterial gegossen wird,
    - beim Gießen eine Gießform, welche mindestens einen Gusskern (22) zum Definieren des mindestens einen Hohlraumes (3, 5, 7, 9) umfasst, Verwendung findet, und
    - der Gusskern (22) nach dem Gießen aus dem Hohlraum (3, 5, 7, 9) entfernt wird
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Beschichtungsmaterial für die Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) des Bauteils (1) vor dem Gießen auf mindestens einen Gusskern (22) aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Material für den Gusskern (22) ein Material Verwendung findet, das sich mittels eines chemischen Verfahrens, welches das Beschichtungsmaterial und das Basismaterial des Bauteils (1) nicht angreift, aus dem Hohlraum (3, 5, 7, 9) entfernen lässt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Material für den Gusskern (22) ein keramischer Werkstoff Verwendung findet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gießtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) eine MCrAlY-Beschichtung ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf den Gusskern (22) ein hochenergetisches Spritzverfahren zum Einsatz kommt.
  7. Hohlgegossenes Turbinenbauteil (1) mit mindestens einem in einer Schnittansicht geschlossenen Hohlraum (3, 5, 7) und einer im geschlossenen Hohlraum (3, 5, 7) vorhandenen MCrAlY-Innenbeschichtung (14, 16, 18).
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