EP2021147A1 - Method for spark-erosive treatment of electrically nonconductive materials - Google Patents

Method for spark-erosive treatment of electrically nonconductive materials

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Publication number
EP2021147A1
EP2021147A1 EP07728100A EP07728100A EP2021147A1 EP 2021147 A1 EP2021147 A1 EP 2021147A1 EP 07728100 A EP07728100 A EP 07728100A EP 07728100 A EP07728100 A EP 07728100A EP 2021147 A1 EP2021147 A1 EP 2021147A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pilot hole
electrically
spark
electrically conductive
coating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07728100A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Förster
Karsten Klein
Ulrich Laudien
Silke Settegast
Ramesh Subramanian
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP07728100A priority Critical patent/EP2021147A1/en
Publication of EP2021147A1 publication Critical patent/EP2021147A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/10—Working turbine blades or nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/14—Making holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/36—Removing material
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    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2103/52—Ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/10—Manufacture by removing material
    • F05B2230/102—Manufacture by removing material by spark erosion methods

Definitions

  • the invention relates to a method for spark erosive machining of an electrically non-conductive material.
  • Spark erosion machining processes for electrically non-conductive materials are known in the art. They are used among other things to create in structures that blend with a kera ⁇ coating are provided holes. For example, in turbine blades, which have a ceramic thermal barrier coating on a metallic base body, cooling air holes are created by spark erosion.
  • a disadvantage is considered that in the known method, the processing speed is limited, since the deposition process of the conductive layer is slow. A speedy processing is therefore not possible. In addition, due to the small thickness of the newly formed layer in the ⁇ m range, it can easily lead to interruptions of the lines if they are damaged, which completely stops the process.
  • the object of the present invention is to provide a method which enables a fast and reliable spark-erosive machining of an electrically non-conductive material.
  • a pilot hole in the electrically non-conductive material for example, with a laser is created, introduced into the pilot hole an electrically conductive substance and connected as Assis ⁇ tenzelektrode, and by spark erosion Bear ⁇ processing by means of a working electrode an end bore ent ⁇ long the pilot hole is made, wherein the diameter of the end bore is at least partially larger than the diameter of the pilot hole.
  • the invention is therefore based on the consideration not to provide the assis ⁇ tenzelektrode as a surface coating on the surface to be ⁇ working, but to provide within a pilot hole. In this way, a secure electrical contact between the working electrode and the assistant electrode during the entirewidsvor ⁇ transition is possible, whereby a deposition of electrical conductive material from the dielectric on the non-conductive material is at least substantially unnecessary.
  • the spark erosive machining can comparatively he follow ⁇ .
  • auxiliary electrode As electrically conductive materials for the auxiliary electrode may be used, inter alia, mere graphite, or organic compounds such as poly ⁇ . These substances are easy to BEITEN verar ⁇ and bring them into the appropriate shape. In addition, they burn during spark erosion without leaving a residue on the component.
  • metals can be used as an electrically conductive substance. These have a high electrical conductivity.
  • the pilot hole does not completely with the electrically lei ⁇ Tenden substance to be filled. It is also possible to apply the substance in the form of a coating to the inner wall of the pilot hole. It is also possible to introduce the substance in the form of a wire or pin in the pre ⁇ bore. It is advantageous that in all cases only a small amount of conductive substance is needed, which must be removed later in the spark erosive processing with.
  • inventive method is particularly well suited for the processing of ceramic materials. There is a rapid removal of the ceramic material, which is not possible with other methods known in the art. This is especially true Dimensions on ceramics of fully or partially stabilized zirconium, which are used in many cases as a coating for components. They fulfill in this case the function of a thermal barrier coating and can be processed by means of the inventive method quickly and accurately spark erosive.
  • coated components of a turbine can be machined spark ⁇ erosive, it being possible to introduce cooling air holes in blades and vanes and thereby form the diffuser portion of the bore by a suitable guiding the working electrode.
  • FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method for EDM machining of electrically non-conductive materials according to the present invention in a schematic representation before the start of processing
  • FIG. 2 shows the arrangement of FIG. 1 during processing
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • Figure 4 shows a turbine blade
  • Figure 5 is a combustion chamber.
  • a component is to be processed, which has a metallic base body 1 and a Be ⁇ coating 2 provided thereon.
  • the coating 2 is formed as a thermal insulation ⁇ layer and consists of a ceramic Material such as fully stabilized zirconium oxide.
  • the component may for example be a component of a turbine or Brennkam ⁇ mer and in particular a turbine blade.
  • a pilot hole 3 passes through the main body 1 and the coating 2 and is filled with an electrically conductive substance in the form of a metal wire 4.
  • the metal wire 4 is electrically connected via the metallic base body 1 to a generator 5 and acts as an assistant electrode.
  • the arrangement comprises a working electrode 6, which is also connected to the generator 5.
  • the working electrode 5 and the member to be processed are immersed in a ⁇ The lektrikum. 7
  • the pilot hole 3 is produced in the coating 2 and in the base body 1, for example with a laser, in a first step.
  • the pilot hole 3 can fully enforce the electrically non-conductive material as in the drawings or be executed as a blind hole.
  • the metal wire 4 In the pilot hole 3 of the metal wire 4 is introduced, which is in electrically conductive contact with the base body 1.
  • the metal wire 4 is turned on as an assistant electrode by the generator 5 being connected to the main body 1.
  • the working ⁇ electrode 6 is connected, which is used for the removal. Subsequently, the component is immersed in the dielectric and a voltage is applied to the two electrodes 4, 6.
  • the working electrode 6 is moved to the spark erosive machining as indicated by an arrow in the direction of the pilot hole 3, so that there is an electrical contact in the form of sparking between the working electrode 6 and the metal wire 4, wherein during the spark strike the Be ⁇ coating 2 and the metal wire 4 evaporates and thus wear and in the result the end bore 8 is formed.
  • the working electrode 6 is controlled freely because to generate load and in this way end bores 8 chen with differing ⁇ geometries, as long as sufficient con- clocking of ensuring to the metal wire 4 remains.
  • the end hole 8 has a larger diameter than the pilot hole 3.
  • spark erosive machining is not carried out over the entire extent of the pilot hole 3, it may be necessary to remove the remaining electrically conductive substance from the pilot hole 3 after the spark erosive machining.
  • This is possible, depending on the type of electrically lei ⁇ Tenden substance in various ways. If it is, for example, graphite or an organic substance han ⁇ delt, the substance can be removed by burning out. Some metals that have a low melting point or boiling point can also be removed by heat treatment. Alternatively, mechanical methods such as the use of compressed air, abrasive liquid jets or laser drilling may be used.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, form four successive turbine stages 112, the turbine 108th
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 may be pointed on its shovel 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a medium which flows past felblatt 406 at the spectacle ⁇ a leading edge 409 and a trailing edge on the 412th
  • blades 120, 130 in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
  • superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt.
  • These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece is made of a single crystal.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of in
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • the Heat shield elements 155 are then hollow, for example, and may still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). Thereafter, a Removal of corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

Abstract

The invention relates to a method for spark-erosive treatment of electrically nonconductive materials, wherein a predrilled hole (3) into the electrically nonconductive material is provided, for example, by means of a laser, wherein an electrically conductive substance (4) is brought into the predrilled hole (3) and is connected as an assistance electrode, and through spark-erosive treatment by means of a working electrode (6), an end hole (8) alongside the predrilled hole (3) is produced, wherein the diameter of the end hole (8) is greater than at least the diameter sector of the predrilled hole (3).

Description

Verfahren zur funkenerosiven Bearbeitung eines elektrisch nicht leitenden Materials Method for the spark erosive machining of an electrically non-conductive material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur funkenerosiven Bearbeitung eines elektrisch nicht leitenden Materials.The invention relates to a method for spark erosive machining of an electrically non-conductive material.
Funkenerosive Bearbeitungsverfahren für elektrisch nicht leitende Materialien sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden u. a. eingesetzt, um in Bauteilen, die mit einer kera¬ mischen Beschichtung versehen sind, Bohrungen zu erstellen. So werden etwa bei Turbinenschaufeln, die eine keramische Wärmedämmschicht auf einem metallischen Grundkörper aufweisen, Kühlluftbohrungen durch Funkenerosion erstellt.Spark erosion machining processes for electrically non-conductive materials are known in the art. They are used among other things to create in structures that blend with a kera ¬ coating are provided holes. For example, in turbine blades, which have a ceramic thermal barrier coating on a metallic base body, cooling air holes are created by spark erosion.
In der DE 41 02 250 Al ist allgemein ein Verfahren zur funkenerosiven Bearbeitung elektrisch nicht leitender Materialien beschrieben. Bei diesem Verfahren wird das nicht leitende Material vor seiner Bearbeitung mit einer elektrisch leitenden Substanz beschichtet. Diese Schicht wird als Assis¬ tenzelektrode verwendet, die bei der funkenerosiven Bearbei¬ tung eine elektrische Kontaktierung zu einer Arbeitselektrode herstellt. Das mit der Assistenzelektrode beschichtete, elektrisch nicht leitende Material und zumindest der zur Assistenzelektrode weisende Endbereich der Arbeitselektrode, an dem es bei der Bearbeitung zur Funkenentladung kommt, sind in ein Dielektrikum getaucht, das durch eine Flüssigkeit wie Kerosin oder auch ein Gas gebildet wird.In DE 41 02 250 Al a method for EDM machining of electrically non-conductive materials is generally described. In this method, the non-conductive material is coated with an electrically conductive substance before being processed. This layer is used as assistants ¬ tenzelektrode, the processing at the electric discharge machining ¬ an electrical contact to a working electrode is prepared. The electrically nonconductive material coated with the assisting electrode and at least the end area of the working electrode facing the assisting electrode, on which spark discharge occurs during machining, are immersed in a dielectric which is formed by a liquid such as kerosene or else a gas.
Wenn an die Anordnung eine Spannung angelegt wird, kommt es zwischen der Arbeitselektrode und der Assistenzelektrode zu einer Funkenentladung und in der Folge zu einem Abtrag der Assistenzelektrode sowie des darunterliegenden elektrisch nicht leitenden Materials. Gleichzeitig wird ein Teil des Dielektrikums gecrackt, wodurch Kohlenstoff oder leitfähige Carbide entstehen, die in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den freigelegten Oberflächenbereichen des nicht leitenden Materials abgeschieden werden. Die so abgeschie- dene, elektrisch leitende Schicht ersetzt somit das abgetra¬ gene Material der Assistenzelektrode und stellt bei einem Vordringen der Arbeitselektrode in das nicht leitende Mate¬ rial eine elektrische Verbindung zu der Oberfläche des nicht leitenden Materials her, so dass eine kontinuierliche Bearbeitung möglich ist.When a voltage is applied to the device, there is a spark discharge between the working electrode and the assisting electrode and, as a result, erosion of the assistant electrode and the underlying electrically non-conductive material. Simultaneously, a portion of the dielectric is cracked, resulting in carbon or conductive carbides deposited in the form of an electrically conductive layer on the exposed surface areas of the nonconductive material. The thus dene, electrically conductive layer thus replaces the abgetra ¬ gene material of the assistant electrode and, when a penetration of the working electrode into the non-conductive Mate ¬ rial an electrical connection to the surface of the non-conductive material forth, so that a continuous processing is possible.
Als nachteilig wird angesehen, dass bei dem bekannten Verfahren die Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt ist, da der Ab- scheidungsprozess der leitenden Schicht langsam erfolgt. Eine zügige Bearbeitung ist deshalb nicht möglich. Außerdem kann es auf Grund der im μm-Bereich liegenden geringen Dicke der neu gebildeten Schicht leicht zu Unterbrechungen der Leitungen kommen, wenn diese beschädigt wird, was den Prozess voll- ständig zum Erliegen bringt.A disadvantage is considered that in the known method, the processing speed is limited, since the deposition process of the conductive layer is slow. A speedy processing is therefore not possible. In addition, due to the small thickness of the newly formed layer in the μm range, it can easily lead to interruptions of the lines if they are damaged, which completely stops the process.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das eine schnelle und zuverlässige funkenero- sive Bearbeitung eines elektrisch nicht leitenden Materials ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method which enables a fast and reliable spark-erosive machining of an electrically non-conductive material.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorbohrung in dem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise mit einem Laser, erstellt wird, in die Vorbohrung eine elektrisch leitende Substanz eingebracht und als Assis¬ tenzelektrode geschaltet wird, und durch funkenerosive Bear¬ beitung mittels einer Arbeitselektrode eine Endbohrung ent¬ lang der Vorbohrung hergestellt wird, wobei der Durchmesser der Endbohrung zumindest bereichsweise größer als der Durch- messer der Vorbohrung ist.This object is achieved in that a pilot hole in the electrically non-conductive material, for example, with a laser is created, introduced into the pilot hole an electrically conductive substance and connected as Assis ¬ tenzelektrode, and by spark erosion Bear ¬ processing by means of a working electrode an end bore ent ¬ long the pilot hole is made, wherein the diameter of the end bore is at least partially larger than the diameter of the pilot hole.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, die Assis¬ tenzelektrode nicht als flächige Beschichtung auf der zu be¬ arbeitenden Oberfläche vorzusehen, sondern innerhalb einer Vorbohrung bereitzustellen. Auf diese Weise wird eine sichere elektrische Kontaktierung zwischen der Arbeitselektrode und der Assistenzelektrode während des gesamten Bearbeitungsvor¬ gangs ermöglicht, wodurch eine Abscheidung von elektrisch leitendem Material aus dem Dielektrikum auf dem nicht leitenden Material zumindest im Wesentlichen überflüssig wird. Damit kann die funkenerosive Bearbeitung vergleichsweise er¬ folgen .The invention is therefore based on the consideration not to provide the assis ¬ tenzelektrode as a surface coating on the surface to be ¬ working, but to provide within a pilot hole. In this way, a secure electrical contact between the working electrode and the assistant electrode during the entire Bearbeitungsvor ¬ transition is possible, whereby a deposition of electrical conductive material from the dielectric on the non-conductive material is at least substantially unnecessary. Thus, the spark erosive machining can comparatively he follow ¬ .
Als elektrisch leitende Substanzen für die Assistenzelektrode können u. a. Graphit oder organische Verbindungen wie Poly¬ mere verwendet werden. Diese Substanzen sind leicht zu verar¬ beiten und in die entsprechende Form zu bringen. Außerdem verbrennen sie bei der funkenerosiven Bearbeitung, ohne dass ein Rückstand auf dem Bauteil zurückbleibt.As electrically conductive materials for the auxiliary electrode may be used, inter alia, mere graphite, or organic compounds such as poly ¬. These substances are easy to BEITEN verar ¬ and bring them into the appropriate shape. In addition, they burn during spark erosion without leaving a residue on the component.
Ebenso können Metalle als elektrisch leitende Substanz verwendet werden. Diese weisen eine hohe elektrische Leitfähig- keit auf.Likewise, metals can be used as an electrically conductive substance. These have a high electrical conductivity.
Die Vorbohrung muss nicht vollständig mit der elektrisch lei¬ tenden Substanz gefüllt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Substanz in Form einer Beschichtung auf die Innen- wand der Vorbohrung aufzubringen. Ebenfalls ist es möglich, die Substanz in Form eines Drahtes oder Stiftes in die Vor¬ bohrung einzubringen. Vorteilhaft ist, dass in allen Fällen nur eine geringe Menge an leitender Substanz benötigt wird, die später bei der funkenerosiven Bearbeitung mit abgetragen werden muss.The pilot hole does not completely with the electrically lei ¬ Tenden substance to be filled. It is also possible to apply the substance in the form of a coating to the inner wall of the pilot hole. It is also possible to introduce the substance in the form of a wire or pin in the pre ¬ bore. It is advantageous that in all cases only a small amount of conductive substance is needed, which must be removed later in the spark erosive processing with.
Grundsätzlich ist es auch möglich, elektrisch leitende Flüssigkeiten als Assistenzelektrode zu verwenden, wenn eine unkontrollierte Durchmischung mit dem Dielektrikum verhindert wird. Auf diese Weise kann die Vorbohrung schnell und kosten¬ günstig mit einer elektrisch leitenden Substanz versehen werden .In principle, it is also possible to use electrically conductive liquids as assistant electrode, if an uncontrolled mixing with the dielectric is prevented. In this way, the pilot hole can be provided quickly and cost- effectively with an electrically conductive substance.
Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für die Verarbeitung von Keramikmaterialien geeignet ist. Es erfolgt ein zügiger Abtrag des keramischen Materials, der mit anderen, im Stand der Technik bekannten Verfahren so nicht möglich ist. Dies trifft im besonderen Maße auf Keramiken aus voll- oder teilstabilisiertem Zirkonium zu, die in vielen Fällen als Beschichtung für Bauteile verwendet werden. Sie erfüllen in diesem Fall die Funktion einer Wärmedämmschicht und können mit Hilfe des erfindungsge- mäßen Verfahrens schnell und präzise funkenerosiv bearbeitet werden .Experiments have shown that the inventive method is particularly well suited for the processing of ceramic materials. There is a rapid removal of the ceramic material, which is not possible with other methods known in the art. This is especially true Dimensions on ceramics of fully or partially stabilized zirconium, which are used in many cases as a coating for components. They fulfill in this case the function of a thermal barrier coating and can be processed by means of the inventive method quickly and accurately spark erosive.
Vor allem beschichtete Bauteile einer Turbine können funken¬ erosiv bearbeitet werden, wobei es möglich ist, in Lauf- und Leitschaufeln Kühlluftbohrungen einzubringen und dabei den Diffusoranteil der Bohrung durch ein geeignetes Führen der Arbeitselektrode auszubilden.Above all, coated components of a turbine can be machined spark ¬ erosive, it being possible to introduce cooling air holes in blades and vanes and thereby form the diffuser portion of the bore by a suitable guiding the working electrode.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand von zwei Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The inventive method will be explained in more detail below with reference to two drawings. Show it:
Figur 1 eine Anordnung für die Durchführung des Verfahrens zur funkenerosiven Bearbeitung von elektrisch nicht leitenden Materialien gemäß der vorliegenden Erfin- düng in schematischer Darstellung vor dem Beginn der Bearbeitung,1 shows an arrangement for carrying out the method for EDM machining of electrically non-conductive materials according to the present invention in a schematic representation before the start of processing, FIG.
Figur 2 die Anordnung aus Figur 1 während der Bearbeitung,FIG. 2 shows the arrangement of FIG. 1 during processing,
Figur 3 eine Gasturbine,FIG. 3 shows a gas turbine,
Figur 4 eine Turbinenschaufel undFigure 4 shows a turbine blade and
Figur 5 eine Brennkammer.Figure 5 is a combustion chamber.
Die Figur 1 zeigt eine Anordnung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur funkenerosiven Bearbeitung von elektrisch nicht leitenden Materialien. In der dargestellten Ausführungsform soll ein Bauteil bearbeitet werden, das einen metallischen Grundkörper 1 und eine darauf vorgesehene Be¬ schichtung 2 aufweist. Die Beschichtung 2 ist als eine Wärme¬ dämmschicht ausgebildet und besteht aus einem keramischen Material wie vollstabilisiertem Zirkoniumoxid. Das Bauteil kann beispielsweise ein Bauteil einer Turbine oder Brennkam¬ mer und insbesondere eine Turbinenschaufel sein.1 shows an arrangement for carrying out the method according to the invention for EDM machining of electrically non-conductive materials. In the illustrated embodiment, a component is to be processed, which has a metallic base body 1 and a Be ¬ coating 2 provided thereon. The coating 2 is formed as a thermal insulation ¬ layer and consists of a ceramic Material such as fully stabilized zirconium oxide. The component may for example be a component of a turbine or Brennkam ¬ mer and in particular a turbine blade.
Eine Vorbohrung 3 durchsetzt den Grundkörper 1 und die Be- schichtung 2 und ist mit einer elektrisch leitenden Substanz in der Form eines Metalldrahts 4 gefüllt. Der Metalldraht 4 ist über den metallischen Grundkörper 1 elektrisch mit einem Generator 5 verbunden und wirkt als eine Assistenzelektrode.A pilot hole 3 passes through the main body 1 and the coating 2 and is filled with an electrically conductive substance in the form of a metal wire 4. The metal wire 4 is electrically connected via the metallic base body 1 to a generator 5 and acts as an assistant electrode.
Weiterhin umfasst die Anordnung eine Arbeitselektrode 6, die ebenfalls an den Generator 5 angeschlossen ist. Die Arbeitselektrode 5 und das zu bearbeitende Bauteil sind in ein Die¬ lektrikum 7 getaucht.Furthermore, the arrangement comprises a working electrode 6, which is also connected to the generator 5. The working electrode 5 and the member to be processed are immersed in a ¬ The lektrikum. 7
Um die Beschichtung 2 des Bauteils funkenerosiv zu bearbeiten, wird in einem ersten Schritt die Vorbohrung 3 in der Beschichtung 2 und in dem Grundkörper 1, beispielsweise mit einem Laser hergestellt. Die Vorbohrung 3 kann das elektrisch nicht leitende Material wie in den Zeichnungen vollständig durchsetzen oder als Sackbohrung ausgeführt sein.In order to machine the coating 2 of the component in a spark erosive manner, the pilot hole 3 is produced in the coating 2 and in the base body 1, for example with a laser, in a first step. The pilot hole 3 can fully enforce the electrically non-conductive material as in the drawings or be executed as a blind hole.
In die Vorbohrung 3 wird der Metalldraht 4 eingebracht, der sich im elektrisch leitenden Kontakt mit dem Grundkörper 1 befindet. Der Metalldraht 4 wird als Assistenzelektrode ge¬ schaltet, indem der Generator 5 mit dem Grundkörper 1 verbunden wird. Ebenfalls mit dem Generator 5 wird die Arbeits¬ elektrode 6 verbunden, die für die Abtragung verwendet wird. Anschließend wird das Bauteil in das Dielektrikum getaucht und eine Spannung an die beiden Elektroden 4, 6 angelegt.In the pilot hole 3 of the metal wire 4 is introduced, which is in electrically conductive contact with the base body 1. The metal wire 4 is turned on as an assistant electrode by the generator 5 being connected to the main body 1. Also with the generator 5, the working ¬ electrode 6 is connected, which is used for the removal. Subsequently, the component is immersed in the dielectric and a voltage is applied to the two electrodes 4, 6.
Die Arbeitselektrode 6 wird zur funkenerosiven Bearbeitung wie durch einen Pfeil angedeutet in Richtung der Vorbohrung 3 bewegt, so dass es zu einer elektrischen Kontaktierung in Form von Funkenschlag zwischen der Arbeitselektrode 6 und dem Metalldraht 4 kommt, wobei während des Funkenschlages die Be¬ schichtung 2 und der Metalldraht 4 verdampft und somit abge- tragen werden und in der Folge die Endbohrung 8 ausgebildet wird.The working electrode 6 is moved to the spark erosive machining as indicated by an arrow in the direction of the pilot hole 3, so that there is an electrical contact in the form of sparking between the working electrode 6 and the metal wire 4, wherein during the spark strike the Be ¬ coating 2 and the metal wire 4 evaporates and thus wear and in the result the end bore 8 is formed.
Es ist möglich, die Arbeitselektrode 6 frei gesteuert zu be- wegen und auf diese Weise Endbohrungen 8 mit unterschiedli¬ chen Geometrien zu erzeugen, solange eine ausreichende Kon- taktierung zu dem Metalldraht 4 gewährleistet bleibt. Zumin¬ dest bereichsweise weist die Endbohrung 8 einen größeren Durchmesser als die Vorbohrung 3 auf.It is possible to the working electrode 6 is controlled freely because to generate load and in this way end bores 8 chen with differing ¬ geometries, as long as sufficient con- clocking of ensuring to the metal wire 4 remains. Zumin ¬ least partially, the end hole 8 has a larger diameter than the pilot hole 3.
Wenn die funkenerosive Bearbeitung nicht über die gesamte Erstreckung der Vorbohrung 3 ausgeführt wird, kann es nötig sein nach der funkenerosiven Bearbeitung die verbleibende elektrisch leitende Substanz aus der Vorbohrung 3 zu entfer- nen. Dies ist in Abhängigkeit von der Art der elektrisch lei¬ tenden Substanz auf verschiedene Weise möglich. Wenn es sich beispielsweise um Graphit oder eine organische Substanz han¬ delt, kann die Substanz durch Ausbrennen entfernt werden. Einige Metalle, die einen niedrigen Schmelzpunkt bzw. Siede- punkt haben, können ebenfalls durch Hitzebehandlung entfernt werden. Alternativ dazu können mechanische Verfahren, wie der Einsatz von Druckluft, abrasiven Flüssigkeitsstrahlen oder das Laserbohren verwendet werden.If the spark erosive machining is not carried out over the entire extent of the pilot hole 3, it may be necessary to remove the remaining electrically conductive substance from the pilot hole 3 after the spark erosive machining. This is possible, depending on the type of electrically lei ¬ Tenden substance in various ways. If it is, for example, graphite or an organic substance han ¬ delt, the substance can be removed by burning out. Some metals that have a low melting point or boiling point can also be removed by heat treatment. Alternatively, mechanical methods such as the use of compressed air, abrasive liquid jets or laser drilling may be used.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.The gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, form four successive turbine stages 112, the turbine 108th
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .During operation of the gas turbine 100, air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104. The compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120. On the rotor blades 120, the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.The components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100. The guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet .To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant. Likewise, substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure). As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .The vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt .FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge- staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415. As a guide vane 130, the vane 130 may be pointed on its shovel 415 have a further platform (not Darge ¬ asserted). In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown). The blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.The blade 120, 130 has a medium which flows past felblatt 406 at the spectacle ¬ a leading edge 409 and a trailing edge on the 412th
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.In conventional blades 120, 130, in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used. Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy. The blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil- den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.The production of such monocrystalline workpieces, for example, by directed solidification from the melt. These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece is made of a single crystal. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since undirected growth necessarily forms transverse and longitudinal grain boundaries, which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component. The term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; these writings are part of the revelation regarding the solidification process.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy. The density is preferably 95% of the theoretical density. A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide. The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von inFIG. 5 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100. The combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of in
Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.Circumferentially around a rotation axis 102 arranged around burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C. A relatively long service life even with these handy, unfavorable for the materials to operational parameters made ¬, the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. The Heat shield elements 155 are then hollow, for example, and may still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.These protective layers may be similar to the turbine blades, so for example MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dassRefurbishment means that
Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw, -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155. Turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). Thereafter, a Removal of corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur funkenerosiven Bearbeitung eines elekt- risch nicht leitenden Materials,1. A method for the electrical discharge machining of an electrically non-conductive material,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorbohrung (3) in dem elektrisch nicht leitenden Mate¬ rial, beispielsweise mit einem Laser, erstellt wird, in die Vorbohrung (3) eine elektrisch leitende Substanz (4] eingebracht und als eine Assistenzelektrode geschaltet wird, und durch funkenerosive Bearbeitung mittels einer Arbeits¬ elektrode (6) eine Endbohrung (8) entlang der Vorbohrung (3) hergestellt wird, wobei der Durchmesser der Endbohrung (8) zumindest bereichsweise größer als der Durchmesser der Vorbohrung (3) ist .characterized in that a pilot hole (3) in the electrically non-conductive Mate ¬ rial, for example, with a laser created, in the pilot hole (3) an electrically conductive substance (4] introduced and switched as an assistant electrode, and by spark erosive Processing by means of a working ¬ electrode (6) an end bore (8) along the pilot hole (3) is produced, wherein the diameter of the end bore (8) at least partially larger than the diameter of the pilot hole (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass2. The method according to claim 1, characterized in that
die elektrisch leitende Substanz (4) Graphit oder eine organische Verbindung ist.the electrically conductive substance (4) is graphite or an organic compound.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass3. The method according to claim 1, characterized in that
die elektrisch leitende Substanz (4) ein Metall ist.the electrically conductive substance (4) is a metal.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that
die Innenwand der Vorbohrung (3) mit der elektrisch leitenden Substanz (4) beschichtet wird. the inner wall of the pilot hole (3) is coated with the electrically conductive substance (4).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that
die elektrisch leitende Substanz (4) in Form eines Drahtes oder eines Stiftes in die Vorbohrung (3) eingebracht wird.the electrically conductive substance (4) in the form of a wire or a pin in the pilot hole (3) is introduced.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass6. The method according to claim 1, characterized in that
die elektrisch leitende Substanz (4) eine Flüssigkeit istthe electrically conductive substance (4) is a liquid
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that
das elektrisch nicht leitende Material eine Keramik ist.the electrically non-conductive material is a ceramic.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass8. The method according to claim 7, characterized in that
die Keramik voll- oder teilstabilisiertes Zirkoniumoxid enthält oder daraus besteht.the ceramic contains or consists of fully or partially stabilized zirconium oxide.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that
das elektrisch nicht leitende Material eine Beschichtung (2) auf einem Bauteil ist. the electrically non-conductive material is a coating (2) on a component.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass10. The method according to claim 9, characterized in that
die Beschichtung (2) eine Wärmedämmschicht istthe coating (2) is a thermal barrier coating
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass11. The method according to any one of claims 9 or 10, characterized in that
das Bauteil ein Teil einer Turbine ist.the component is part of a turbine.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass12. The method according to claim 11, characterized in that
das Bauteil eine Lauf- oder eine Leitschaufel ist. the component is a rotor or a vane.
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