EP1645347B1

EP1645347B1 - Verfahren zur Herstellung eines thermisch belasteten Gussteils

Info

Publication number: EP1645347B1
Application number: EP05111586A
Authority: EP
Inventors: Alexander Dr. Beeck; Peter Dr. Ernst; Reinhard Fried; Hans-Joachim Prof. Dr. Rösler
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: EP1645347A1; DE50108928D1; US20010042607A1; EP1155760B1; DE10024302A1; DE50114026D1; EP1155760A1; US6412541B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch belasteten Gussteils einer thermischen Turbomaschine, insbesondere einer Schaufel einer Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

STAND DER TECHNIK

Es ist seit langem bekannt, mit Heissgas beaufschlagte Teile thermischer Turbomaschinen, also beispielsweise Turbinenschaufeln von Gasturbinen, mit Kühlluftbohrungen oder mit Kühlstrukturen zu versehen, um einerseits die Temperatur des Heissgases erhöhen zu können und andererseits die Lebensdauer der betroffenen Teile zu verlängern. Zum einen wird die Innenseite oder ein doppelwandig geführtes Kühlsystem, beispielsweise einer Turbinenschaufel, mit Kühlluft durch Abfuhr der Wärme nach aussen gekühlt. Zum anderen wird die Aussenseite der Schaufel durch einen Film, welcher sich an der Oberfläche der Turbinenschaufel bildet, gekühlt. Es ist dabei Ziel, die Filmkühlung so effektiv wie möglich zu gestalten und gleichzeitig die Kühlluftmenge zu reduzieren.
Gasturbinenschaufeln, welche mit einer Filmkühlung arbeiten, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 43 28 401 oder US 4,653,983 bekannt.
Darüber hinaus ist der Einsatz von Metallfilzen bei Turbinenschaufeln bekannt. Dies geht beispielsweise aus den Schriften DE-C2-32 03 869 oder DE-C2-32 35 230 hervor. Diese Anwendung eines Metallfilzes hat die Aufgabe, ein (internes) Kühlsystem bereitzustellen. Gleichzeitig kann dieser Metallfilz als Schutz vor Abrasion durch externe mechanische Belastungen dienen, insbesondere wenn er an der Aussenseite der Turbinenschaufel angeordnet und mit einer keramischen Schutzschicht beschichtet worden ist. Eine Turbinenschaufel mit ähnlichen Eigenschaften ist auch aus der Europäischen Patentschrift EP-B1-132 667 bekannt.
Wenig vorteilhaft bei dieser Schaufel ist aber, dass sie nicht aus einem einzigen Teil besteht, sondern der Metallfilz stets in einem weiteren Verfahrensschritt montiert werden muss.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch belasteten Gussteils einer thermischen Turbomaschine mit einer integrierten Kühlstruktur zu schaffen, welches den Wirkungsgrad der Turbomaschine erhöht. Dabei soll die Kühlstruktur aus demselben Material bestehen wie das Gussteil und möglichst auch in einem Schritt während des Giessverfahrens hergestellt werden können.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs dadurch gelöst, dass ein Wachsmodell des herzustellenden Teils bereitgestellt wird, ein vorgefertigter keramischer Einsatz mit einer offenporigen Struktur an das Wachsmodell angefügt oder in einen Hohlraum des Wachsmodells eingeführt wird, das Wachsmodell mit dem Einsatz in ein keramisches Material (Schlicker) eingetaucht wird, das keramische Material getrocknet wird, so dass eine Gussform entsteht, das Wachs durch eine Wärmebehandlung entfernt wird, das Gussteil mit der Gussform durch ein bekanntes Gussverfahren hergestellt wird, und das keramische Material entfernt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der keramische Einsatz aus einem Polymerschaum mit einer offenporigen Struktur vorgefertigt, indem der Polymerschaum in ein keramisches Material eingetaucht wird, so dass sich die Poren des Polymerschaums mit dem keramischen Mateial füllen. Danach wird das keramische Material getrocknet und optional zur Entfernung des Polymerschaums gebrannt (siehe übernächsten Absatz). Dieser keramische Einsatz wird an das Wachsmodell angeheftet oder in einen Hohlraum des Wachsmodells eingeführt und die Gussform wie oben angegeben gefertigt.
Zur Einhaltung der äusseren Masse der Kühlstruktur ist vorteilhaft der Einsatz einer vorgefertigten Form denkbar, in welcher der Polymerschaum aufgeschäumt wird. Der Schlicker kann an dem Polymerschaum appliziert werden, wenn dieser sich noch in der Form befindet. Auf diese Weise können auch komplizierte dreidimensionale Formen der Kühlstruktur entstehen. Zur besseren Trocknung des noch flüssigen Schlickers kann das Material dieser Form auch einen Binder enthalten.
Ein solcher vorgefertigter, keramischer Einsatz kann vor der Anwendung zur Herstellung der Gussform stark erhitzt werden, um so eine besondere Festigkeit zu erreichen. Es ist auch denkbar, den Polymerschaum des Einsatzes vor dem Anbringen an das Wachsmodell auszubrennen.
Weiter kann eine nach aussen weissende, offenporige Kühlstruktur mit einer keramischen Schutzschicht überzogen werden, um das Gussteil vor zusätzlicher, externer Abrasion und vor den es umgebenden Heissgasen zu schützen. Durch die offenporige Struktur des Metallschaums haftet die keramische Schutzschicht sehr gut daran und die Möglichkeit einer Abplatzung durch die extremen Betriebsbedingungen wird verringert. Zusätzlich ist die Kühlung unter der keramischen Schutzschicht noch sichergestellt, sofern die Kühlstruktur nicht ganz von der keramischen Schutzschicht durchdrungen ist.
Vorteilhaft kann ein Polymerschaum mit einer variablen Porengrösse verwendet werden, um so bestimmte Bereiche des Kühlsystems gegenüber anderen Bereichen verstärkt bzw. vermindert zu kühlen. Es wird sich mit Vorteil um ein Giessverfahren zur Herstellung eines einkristallinen oder gerichtet erstarrten Bauteils handeln. Es kann sich beispielsweise bei dem thermisch belasteten Gussteil um eine Leit- oder eine Laufschaufel, um ein Wärmestausegment, um eine Plattform der Leit- oder der Laufschaufel oder um eine Brennkammerwand einer Gasturbine oder um eine Schaufel eines Verdichters handeln.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1: einen Ausschnitt einer gekühlten Turbinenschaufel, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist,
Fig. 2: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Turbinenschaufel,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Turbinenschaufel,
Fig. 4: einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wärmeschutzschildes,
Fig. 5: einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wärmeschutzschildes,
Fig. 6a: eine Variation des Ausschnitts VI in der Figur 5,
Fig. 6b: eine zweite Variation des Ausschnitts VI in der Figur 5,
Fig. 7: eine erfindungsgemässe Leitschaufel mit gekühlten Plattformen und
Fig. 8: eine gekühlte Wand einer Brennkammer, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist.

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente sind in unterschiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung wird mit Pfeilen bezeichnet.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch belasteten Gussteils einer thermischen Turbomaschine. Dabei kann es sich im einzelnen beispielsweise um eine Leit- oder eine Laufschaufel einer Gasturbine oder eines Kompressors, um ein Wärmestausegment einer Gasturbine, um die Wand einer Brennkammer oder um ein ähnliches, thermisch hoch belastetes Gussteil handeln. Diese Gussteile und das erfindungsgemässe Verfahren zu ihrer Herstellung werden im folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Allen diesen Gussteilen ist gemein, dass sie aufgrund der extremen thermischen Belastung zu kühlen sind und aus diesem Grunde ein integriertes, offenporiges Kühlsystem enthalten.
Diese Gussteile werden in allgemein aus dem Stand der Technik bekannten Gussöfen hergestellt. Mit einem solchen Gussofen können komplex ausgebildete und hohen thermischen und mechanischen Belastungen aussetzbare Bauteile erzeugt werden. Je nach Verfahrenbedingungen ist es möglich, den Giesskörper gerichtet erstarrt herzustellen. Dabei besteht die Möglichkeit, ihn als Einkristall ("single crystal", SX) oder polykristallin als Stengelkristalle, welche eine Vorzugsrichtung aufweisen, ("directionally solidified", DS) auszubilden. Von besonderer Bedeutung ist es, dass die gerichtete Erstarrung unter Bedingungen stattfindet, bei denen zwischen einem gekühlten Teil einer geschmolzenes Ausgangsmaterial aufnehmenden Gussform und dem noch geschmolzenen Ausgangsmaterial ein starker Wärmeaustausch stattfindet. Es kann sich dann eine Zone gerichtet erstarrten Materials mit einer Erstarrungsfront ausbilden, welche bei dauerndem Entzug von Wärme unter Bildung des direkt erstarrten Giesskörpers durch die Gussform wandert.
Aus der Schrift EP-A1-749 790 ist beispielsweise ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einer Vakuumkammer, welche eine obere Heizkammer und eine untere Kühlkammer enthält. Beide Kammern sind durch ein Baffle getrennt. Die Vakuumkammer nimmt eine Gussform auf, welche mit einer Schmelze gefüllt wird. Für die Herstellung von thermisch und mechanisch belastbaren Teilen, wie im Falle von Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, wird beispielsweise eine Superlegierung auf der Basis von Nickel verwendet. In der Mitte des Baffles ist eine Öffnung vorhanden, durch welche die Gussform während des Verfahrens langsam von der Heizkammer in die Kühlkammer bewegt wird, so dass das Gussstück von unten nach oben gerichtet erstarrt. Die Abwärtsbewegung geschieht durch eine Antriebsstange, auf welcher die Gussform gelagert ist. Der Boden der Gussform ist wassergekühlt ausgeführt. Unterhalb des Baffles sind Mittel zum Erzeugen und Führen einer Gasströmung vorhanden. Diese Mittel sorgen durch die Gasströmung neben der unteren Kühlkammer für eine zusätzliche Kühlung und dadurch für einen grösseren Temperaturgradient an der Erstarrungsfront.
Ein ähnliches Verfahren, welches neben Heiz- und Kühlkammer mit einer zusätzlichen Gaskühlung arbeitet, ist beispielsweise auch aus der Patentschrift US 3,690,367 bekannt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines gerichtet erstarrten Giesskörpers ist aus der Druckschrift US 3,763,926 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine mit einer aufgeschmolzenen Legierung gefüllte Gussform kontinuierlich in ein auf ca. 260° C aufgeheiztes Bad getaucht. Hierdurch wird eine besonders rasche Abfuhr von Wärme aus der Gussform erreicht. Dieses und andere, ähnliche Verfahren sind unter dem Begriff LMC (liquid metal cooling) bekannt.
Es ist für die Erfindung vorteilhaft, diese Art von Gussöfen zur Herstellung von einkristallinen oder gerichtet erstarrten Gussteilen zu benutzen, indes ist sie nicht darauf beschränkt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel 1, wie sie beispielsweise in den Figuren 1 bis 3 in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt ist, bezieht sich auf ein in die Turbinenschaufel 1 integriertes Kühlsystem 7, welches ganz oder teilweise mit einem offenporigen Metallschaum 9 ausgefüllt ist. Die Turbinenschaufel 1 der Figur 1 besitzt einen Hohlraum 6, von dem aus während des Betriebs der Turbomaschine Kühlluft 18 durch innere Kühllöcher 8,8b in das doppelwandig ausgestaltete Kühlsystem 7 geleitet wird. Die Pfeile geben die Strömungsrichtung der Kühlluft 18 an. Die Kühlluft 18 strömt dann sowohl innerhalb der Turbinenschaufel in die Höhe als auch an die Hinterkante 3 der Turbinenschaufel 1. Sie kann das Kühlsystem 7 an der Hinterkante 3, an äusseren Kühllöchern 8,8a oder auch an grösseren Kühlöffnungen 8,8c, welche beide an der Vorderseite 2, an der Druckseite 4 oder an der Saugseite 5 vorhanden sein können, wieder verlassen. An den äusseren Kühllöchern 8,8a stellt sich eine Filmkühlung ein, während die Wände im Inneren des Kühlsystems 7 durch Konvektion gekühlt werden. Wie an dem Ausbruch in der Figur 1 sichtbar ist, können je nach Anwendungsfall auch innerhalb des Kühlsystems 8 axiale Rippen 10 vorhanden sein, in welchen kein Metallschaum 9 vorhanden ist und in welchen die Kühlluft 18 ungehindert strömen kann.
Die Figur 3, welche die Vorderkante 2 vom Schaufelfuss 9 bis zur Schaufelspitze 10 in der Form eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäss hergestellte Turbinenschaufel 1 zeigt, offenbart die Strömungsrichtung der Kühlluft 18. Die Kühlluft 18 tritt in das Kühlsystem 7 durch innere Kühlöffnungen 8,8b vom Hohlraum 6 ein. Die Kühlluft 18 durchströmt dann die Poren des Metallschaums 9, welche sich innerhalb des Kühlsystems 7 befindet.
Ziel der Erfindung ist es nun, derartige, mit offenporigem Metallschaum 9 gefüllte Kühlsysteme 7 bereits während des Giessverfahrens in Gussöfen, wie sie weiter oben erwähnt wurden, integral mit dem gesamten Gussteil zu fertigen. Dazu wird ein Wachsmodell des herzustellenden Teils bereitgestellt. Ein vorgefertigter keramischer Einsatz mit einer offenporigen Struktur wird an das Wachsmodell angefügt oder in einen Hohlraum desselben eingeführt. Zur Vorfertigung dieses keramischen Einsatzes wird ein Polymerschaum mit einem Schlicker behandelt, so dass ein getrenntes Modell der Kühlstruktur aus einem keramischen Material entsteht. Der Polymerschaum wird in den Schlicker getaucht, so dass sich die Poren füllen. Anschliessend folgt die obligatorische Trocknung des Schlickers. Bei der Herstellung dieses Einsatzes ist darauf zu achten, dass die Grösse, das heisst, die äusseren Abmasse des Polymerschaums nicht bzw. nur in geringen Toleranzgrenzen verändert werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass der Polymerschaum in einer Form aufgeschäumt wird, so dass die äusseren Abmasse und unter Umständen auch eine komplexe 3-dimensionale Ausformung fest vorgegeben sind. Es ist auch denkbar, den Schlicker in den Polymerschaum einzufüllen, während er sich noch in dieser Form befindet. Dieses keramische Modell bzw. dieser Einsatz wird, wie oben bereits beschrieben, an das Wachsmodell angeheftet oder in einen Hohlraum desselben eingeführt. Optional kann der Polymerschaum vor dem Anheften bzw. Einführen ausgebrannt werden. Das Material der oben erwähnten Form, in welcher der Polymerschaum zur Einhalten der äusseren Abmasse aufgeschäumt werden kann, kann zur verbesserten Trocknung des Schlickers einen Binder enthalten. Ein solcher Einsatz kann vor dem Anbringen an das Wachsmodell zusätzlich durch eine Wärmebehandlung erhitzt werden, was die Festigkeit weiter erhöht. Dies geschieht bei dem Keramikkörper durch einen Sintervorgang. Die Gussform wird insgesamt fester und dichter. Darauf hin wird das Wachsmodell mit dem Einsatz in ein flüssiges keramisches Material, Schlicker, eingetaucht. Dabei bildet sich um das Wachsmodell die spätere Gussform des Gussteils. Anschliessend wird das keramische Material getrocknet, so dass die Gussform, mit welcher das Gussteil hergestellt wird, entsteht. Das Gussteil wird mit der so entstandenen Gussform durch einen bekannten, weiter oben näher beschriebenen Gussofen auf bekannte Weise hergestellt. Da die flüssige Legierung beim Einfüllen nicht nur in die Gussform selbst, sondern auch in die durch den Polymerschaum entstandenen Poren, welche das spätere Kühlsystem bilden, ohne Probleme eindringt, entsteht der oben erwähnte Metallschaum 9 als Kühlsystem 7 gleichzeitig während der Erstarrung der Legierung. Vorteilhaft bestehen dann das Gussteil und der Metallschaum aus einem Teil und weitere Verfahrensschritte zur Herstellung der Kühlstruktur fallen nicht an. Diese Art der Herstellung vermeidet durch den Giessvorgang und die anschliessende Erstarrung auch eine Porosität der Superlegierung innerhalb des Metallschaums 9, da sich die flüssige Legierung schon während des Einfüllens gleichmässig innerhalb der offenporigen Gussform verteilt.
Die keramische Gussform kann anschliessend auf geeignete Weise entfernt werden, so zum Beispiel durch Anwendung einer Säure oder einer Lauge.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann auch eine Struktur geschaffen werden, wie sie in der Figur 2, welche schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Turbinenschaufel 1 zeigt, sichtbar ist. In diesem Fall ist die Kühlstruktur 7 lediglich an der Vorderkante 2 der Turbinenschaufel 1 vorhanden. Geschaffen wurde diese Kühlstruktur 7 wie bereits oben beschrieben durch einfaches Anheften des keramischen Einsatzes an das Wachsmodell. Alle anderen Verfahrensschritte der Herstellung sind gleich. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 dringt die Kühlluft 18 von dem Hohlraum 6 durch die Kühllöcher 8,8b in die Kühlstruktur 7 ein. Die Kühlstruktur 7 selber ist mit einer keramischen Schutzschicht 11 (Thermal Barrier Coating, TBC) beschichtet. Dies geschieht beispielsweise durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Plasma-Spray-Verfahren oder ein gleichwertiges Beschichtungsverfahren.
Selbstverständlich sind vor der Beschichtung mit dem TBC aus dem Stand der Technik eine bekannte, hier nicht näher erwähnte Wärmebehandlung des Rohgussteils notwendig. Auch ist denkbar, dass vor der Beschichtung mit TBC eine metallische Schutzschicht wie MCrAIY mit bekannten Mitteln aufgetragen wird.
Die Beschichtung der porösen Kühlstruktur 7 mit TBC kann auf verschiedene Weise (durch Variation der Parameter wie Sprühwinkel, -distanz, -partikelgrösse, -geschwindigkeit, -temperatur etc.) geschehen. Die Kühlstruktur 7 kann vollständig mit TBC durchdrungen werden, so dass die Poren des Metallschaums 9 ganz gefüllt sind. Durch Poren wird eine sehr gute Haftung des TBC ermöglicht. Die Kühlstruktur 7 kann auch lediglich in einer Schicht nahe der Oberfläche mit TBC bedeckt sein, so dass unterhalb der Schutzschicht aus TBC noch eine Schicht besteht, in welche Kühlluft 18 eindringen kann. Es ist ebenso denkbar, dass Kühllöcher 8 innerhalb der Schutzschicht 11 vorhanden sind, durch die die Kühlluft 18 nach aussen austritt. Durch die offenporige Struktur des Metallschaums 9 haftet die keramische Schutzschicht 11 sehr gut daran. Durch eine Vergröberung der Porengrösse nach aussen hin (dort wo die Schutzschicht 11 aufgetragen wird) kann die Haftung der keramischen Schutzschicht 11 an der Kühlstruktur noch verbessert werden. Die Abplatzung des TBC während des Betriebes des Gussteils durch schlechte Haftung auf dem Grundmaterial wird vorteilhaft deutlich verringert bzw. verhindert.
Ist die keramische Schutzschicht 11 selbst porös genug, dass sie den Durchlass von Kühlluft in hinreichendem Masse erlaubt, sind keine externen Kühllöcher erforderlich. Auf diese Weise kein eine sogenannte Schwitzkühlung erreicht werden, welche sich als sehr effektiv in der Kühlwirkung erwiesen hat.
Mögliche Kühllöcher 8 innerhalb der keramischen Schutzschicht 11 können dadurch entstanden sein, dass eine geeignete Maskierung vor der Beschichtung mit TBC und eine Demaskierung mit geeigneten Mitteln danach stattfindet. Die Maskierung kann beispielsweise mit Polymerschaum geschehen, welcher zur Demaskierung ausgebrannt wird. Ein zweite Möglichkeit die Oberfläche zu maskieren besteht darin, innerhalb der Gussform stellen vorzusehen, welche dieser Stelle besetzen. In diesem Fall wird die keramische Gussform an diesen Stellen erst nach einer Beschichtung mit TBC entfernt.
Das Anfertigen eines Metallschaums 9, wie in der Figur 2 an der äusseren Fläche, und das zusätzliche Beschichten mit TBC sind insbesondere an den Stellen sinnvoll, an denen es zu einem Abrieb durch eine mechanische Einwirkung kommen kann, so zum Beispiel an der Schaufelspitze einer Turbinenschaufel 1 oder an einem Wärmestausegment, da die offenporige Struktur des Metallschaums 9 sehr flexibel ist und durch den Abrieb selbst nicht verstopft. Insgesamt wird der Abrieb durch die Flexibilität des Metallschaums 9 jedoch verringert.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können auch Gussteile, wie sie in den Figuren 4 bis 8 dargestellt sind, hergestellt werden. Die Figuren 4 und 5 zeigen ein Wärmestausegment 14 einer Gasturbine. Dieses Wärmestausgement 1 kann eine doppelwandige Kühlstruktur 7 haben (Figur 4) oder auch einen aussen angebrachten Metallschaum 9 (Figur 5), welcher analog zur Turbinenschaufel der Figur 2 ganz oder teilweise mit einer Schutzschicht 11 aus TBC beschichtet sein kann. In beiden Ausführungsformen wird das Wärmestausegment mit Kühlluft 18 durchströmt. Dies wird durch den offenporigen Metallschaum 9 ermöglicht. Die Kühlluft 18 dringt durch Kühllöcher 8 in das Kühlsystem 7 ein und verlässt es durch diese auch wieder auch wieder.
Die Figuren 6a, 6b zeigen zwei Varianten des Ausschnitts VI der Figur 5. Wie aus der Figur 6a ersichtlich, kann der Metallschaum 9 durch Variation der Porengrösse des Polymerschaums während des Herstellungsverfahrens eine unterschiedliche Porengrösse erhalten. Die Figur 6a zeigt den Metallschaum 9₁,9₂ mit einer variablen Porengrösse. Dies ermöglicht eine stärkere bzw. eine schwächere Kühlung einzelner Bereiche des Gussteils. Wie weiter oben bereits erwähnt, ist dies auch für einen besseren Halt der Schutzschicht 11 auf dem Metallschaum 9 von Vorteil. Wie oben beschrieben, kann die Schutzschicht 11 auch mit Kühllöchern 8 durchbrochen sein, durch die die Kühlluft 18 nach aussen strömen kann.
Während des Betriebes der Gussteils kann es notwendig sein, die Kühlluft zu filtern, um zu verhindern, dass die feinporige Struktur nicht durch Verunreinigungen, welche sich in der Kühlluft befinden, verstopft und so die Kühlleistung herabsetzt.
In der Figur 6b, welche eine zweite Variante des Ausschnitts VI der Figur 5 zeigt, besteht das Kühlsystem 7 aus mehreren Schichten von dem Metallschaum 9 und dazwischen liegenden Platten 15. Die Anzahl der Schichten Metallschaum 9/Platte 15 ist nur beispielhaft gewählt und hängt vom speziellen Anwendungsfall ab. Bereits während der Herstellung, wie sie oben beschrieben wurde, werden mehrere Schichten aus Wachs/Polymerschaum bereitgestellt, aus welchen anschliessend die Gussform für das Gussteil, wie bereits weiter oben beschrieben, gefertigt wird. Das führt während der Herstellung unmittelbar zu dem in der Figur 6b dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Kühlluft 18 durchdringt den Metallschaum 9, kann innerhalb einer "Ebene" strömen und durch Konvektion bzw. Transpiration kühlen. Die verschiedenen Ebenen sind zwar durch die Platten 15 getrennt, es existieren aber Kühllöcher 8, durch welche die Kühlluft 18 die Ebene wechseln kann. Allgemein hängt die konkrete Ausgestaltung dieses Kühlsystems 7 natürlich vom Einzelfall ab. Die Kühllöcher 8 innerhalb der Platten 15 werden ebenfalls schon während der Herstellung erzeugt.
Die gemachten Ausführungen gelten auch für die in der Figur 7 dargestellte Leitschaufel 16, welche zwei gekühlte Plattformen 17 aufweist, und die in der Figur 8 gezeigte, ebenfalls gekühlte Brennkammerwand 19. Weitere Ausführungsbeispiele, welche nicht mit Figuren dargestellt sind, sind die gekühlten Gussteile (Schaufeln etc.) eines Kompressors.
Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Gussteile mit einem integrierten, offenporigen Kühlsystem 7 sind auch deshalb vorteilhaft, da die Druckdifferenz des Kühlmediums zwischen dem äusseren Druck und dem inneren Druck (innerhalb des Hohlraum 6) die Effektivität der Kühlung stark beeinflusst. Diese Druckdifferenz kann durch die geeignete Wahl der Poren (Verteilung, Grösse, etc.) des Metallschaums 9 sehr gut eingestellt und kontrolliert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Turbinenschaufel
2: Vorderkante
3: Hinterkante
4: Druckseite
5: Saugseite
6: Hohlraum von Turbinenschaufel 1
7: Kühlstruktur
8: Kühllöcher
8a: Kühllöcher, aussen
8b: Kühllocher, innen
8c: Kühlöffnung
9: Metallschaum
9₁,9₂: Metallschaum variabler Porosität
10: Axiale Rippen
11: Keramische Schutzschicht
12: Schaufelfuss
13: Schaufelspitze
14: Wärmestausegment
15: Platte
16: Leitschaufel
17: Plattform von Leitschaufel 16
18: Kühlluft
19: Brennkammerwand

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermischen belasteten Gussteils (1,14,16,17) einer thermischen Turbomaschine mit einem bekannten Gussverfahren, wobei das thermisch belastete Gussteil (1,14,16,17) eine integrierte Kühlstruktur (7) aufweist und mit einer Gussform hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
(a) ein Wachsmodell des herzustellenden Teils bereitgestellt wird,

(b) ein vorgefertigter, keramischer Einsatz mit einer offenporigen Struktur, an das Wachsmodell angefügt oder in einen Hohlraum des Wachsmodells eingeführt wird,

(c) das Wachsmodell mit dem Einsatz in ein keramisches Material (Schlicker) eingetaucht wird,

(d) das keramische Material getrocknet wird, so dass eine Gussform entsteht,

(e) das Wachs durch eine geeignete Wärmebehandlung entfernt wird,

(f) das Gussteil (1,14,16,17) mit der Gussform durch ein bekanntes Gussverfahren hergestellt wird und

(g) das keramische Material entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der keramische Einsatz vor der Anwendung in Schritt (b) des Anspruchs 2 erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die offenporige Struktur des vorgefertigten, keramischen Einsatzes durch einen Polymerschaum hergestellt wird, wobei der Polymerschaum in ein keramisches Material eingetaucht wird, so dass sich die Poren des Polymerschaums mit dem keramischen Material füllen und das keramische Material anschliessend getrocknet und gebrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Polymerschaum vor Anwendung im Verfahrenschritt (b) des Anspruchs 2 durch eine Wärmebehandlung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die offenporige Struktur des vorgefertigten, keramischen Einsatzes durch einen Polymerschaum hergestellt wird, welcher in eine vorgefertigte Form eingeführt wird, und danach in der Form oder getrennt von der Form mit dem keramischen Material gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der vorgefertigten Form einen Binder enthält.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine nach aussen weisende, sich am Gussteil (1,14,16,17) befindenden offenporige Kühlstruktur (7) mit einer keramischen Schutzschicht (11) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die keramische Schutzschicht (11) die Kühlstruktur (7) ganz durchdringt oder die Kühlstruktur (7) nur oberflächennah mit der Schutzschicht (11) beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellen der Oberfläche des Gussteils (1,14,16,17), an denen Kühllöcher (8) entstehen sollen, vor der Beschichtung mit einer keramischen Schutzschicht (11) maskiert werden und diese Stellen nach der Beschichtung wieder demaskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Schichten von dem Polymerschaum und dem Wachs vorhanden sind, welche zur Herstellung von offenporigen Kühlstrukturen (7), welche durch Platten (15) voneinander getrennt sind, dienen.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Polymerschaum eine variable Porengrösse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei dem Polymerschaum um einen Polyurethanschaum handelt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gussverfahren zur Herstellung von einkristallinen oder gerichtet erstarrten Gussteilen verwendet wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung einer Leitschaufel, einer Laufschaufel (1), eines Wärmestausegments (14), einer Schaufelplattform (17) oder einer Brennkammerwand (18) einer Gasturbine oder einer Leitschaufel oder einer Laufschaufel (1,16) eines Verdichters.