EP2441542A1 - Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Bauteils mit innerem Gerüst und Bauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Bauteils mit innerem Gerüst und Bauteil Download PDF

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EP2441542A1
EP2441542A1 EP10187248A EP10187248A EP2441542A1 EP 2441542 A1 EP2441542 A1 EP 2441542A1 EP 10187248 A EP10187248 A EP 10187248A EP 10187248 A EP10187248 A EP 10187248A EP 2441542 A1 EP2441542 A1 EP 2441542A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
framework
cast
component according
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10187248A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Fischer
Björn Buchholz
Thomas Hille
Anna Kapustina
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 EP10187248A priority Critical patent/EP2441542A1/de
Publication of EP2441542A1 publication Critical patent/EP2441542A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component with an inner framework, which is encapsulated, and a component.
  • the choice of material is based on the material's ability to withstand stress in all areas so that certain areas of the product are oversized.
  • One possibility is to construct the component in a modular manner and to connect these individual modules together by joining methods.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a component according to claim 4.
  • FIG. 1 1 schematically shows a component 1, in particular a turbine blade 120, 130 (FIG. Fig. 10 ) of a turbine as an exemplary component, in particular a gas turbine 100 (FIG. Fig. 9 ).
  • the component 1 is flowed around by a hot gas 4 and has in particular around the leading edge 409 in the radial direction 19 and on both sides in the axial direction 22 around it, a region 7 which is exposed to higher mechanical loads than other areas.
  • a framework 10 is prefabricated ( Fig. 2 ) to meet the mechanical requirements of the loads of the component 1 in this area.
  • the component 1, 120, 130 may have a plurality of such regions 7 and thus a plurality of frameworks 10.
  • the framework 10 preferably extends from the blade platform 403 to the blade tip 415.
  • the framework 10 is produced in particular by a laser sintering process.
  • the framework 10 is of porous construction and the casting material 13 is cast into the framework 10.
  • the framework 10 is preferably constructed in the form of a grid or grid ( Fig. 4 ).
  • this framework 10 is encapsulated by a melt of a casting material 13 and possibly poured into the pores, so that the finished component 120, 130 the Scaffold 10 encloses as it is in FIG. 3 is shown schematically.
  • the material for the melt is in particular metallic (in particular according to FIG. 12 ).
  • FIG. 4 shows a porous frame 10, which is formed by interconnected beams 16 ', 16 ", ..., here in the plane of the drawing (lines) and perpendicular to the plane (open circles).
  • any other open-pore structure for the framework 10 can be used, such as in FIG. 5 ,
  • a partial melting of the preferably metallic framework 10 takes place, so that a fusion-metallurgical bond is produced between these two materials.
  • the material for the melt 13 and the material of the framework 10 are different from each other.
  • the material of the framework 10 has a higher melting point (in particular at least 10K) than the material for the melt 13, and may preferably also be ceramic.
  • the framework 10 remains permanently in the component 1, 120, 130.
  • the frame 10 preferably extends over the entire width of the region 7 and preferably over the entire height of the region 7 and has been filled by a melt if it is porous, but this need not necessarily be complete.
  • the method can be used in particular for hollow components 120, 130.
  • the framework 10 can be completely encapsulated ( Fig. 3 ), but can also form an inner outer surface of the component 120, 130 ( Fig. 6 ) or inner and outer surface ( Fig. 7 ) or only an outer surface ( Fig. 8 ).
  • melt of the casting material 13 in the region of the contact surface is cast onto the framework 10 or, if the framework 10 is porous, cast into the framework 10.
  • FIG. 9 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, 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.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • 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 vanes 130 are attached to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the blades 120 a row 125 are attached to the rotor 103, for example by means of a turbine disk 133.
  • 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 may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • 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 for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • 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. 10 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which 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 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • 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 leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • 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 takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • 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.
  • 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 the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10A1-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11A1-0,4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • 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 MCrAIX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the MCrAIX 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 film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • the FIG. 11 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is configured for example as a so-called annular combustion chamber in which a plurality of circumferentially arranged around a rotation axis 102 around burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce.
  • 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 side with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAIX layer and / or ceramic coating) equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • MCrAIX layer and / or ceramic coating particularly heat-resistant protective layer equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • 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).
  • MCrAIX 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 the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 is known from the EP 0 486 489 B1 .
  • 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 yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the 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

Die Erfindung betrifft ein modulares Gerüst (10), das umgossen wird. Es stellt eine einfache Methode dar und benötigt keinerlei Fügeverfahren zur Herstellung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem inneren Gerüst, das umgossen wird, und ein Bauteil.
  • Viele Bauteile weisen Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Belastungen auf.
  • Die Auswahl des Materials richtet sich danach, dass der Werkstoff Belastung in allen Bereich standhält, so dass gewisse Bereiche des Produkts überdimensioniert sind.
  • Eine Möglichkeit ist dabei, das Bauteil modular aufzubauen und diese einzelnen Module durch Fügeverfahren miteinander zu verbinden.
  • Dies ist jedoch sehr aufwändig und bedeutet den Einsatz von komplizierten Fügeverfahren.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung o. g. Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Bauteil gemäß Anspruch 4.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 - 8
    Beispiele in schematischer Darstellung der Erfindung,
    Figur 9
    eine Gasturbine
    Figur 10
    eine Turbinenschaufel
    Figur 11
    eine Brennkammer
    Figur 12
    eine Liste von Superlegierungen.
  • Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
  • In Figur 1 ist schematisch ein Bauteil 1, insbesondere eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 10) einer Turbine als ein beispielhaftes Bauteil, insbesondere einer Gasturbine 100 (Fig. 9) gezeigt.
  • Das Bauteil 1 wird von einem heißen Gas 4 umströmt und weist insbesondere um die Anströmkante 409 in radialer Richtung 19 und auf beiden Seiten in axialer Richtung 22 darum, einen Bereich 7 auf, der höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist als andere Bereiche.
  • Vorzugsweise entsprechend der Form und der Ausdehnung dieses Bereiches 7 des Bauteils 1, 120, 130 mit der höheren Belastung wird ein Gerüst 10 vorgefertigt (Fig. 2), um die mechanischen Anforderungen der Belastungen des Bauteils 1 in diesem Bereich zu erfüllen.
  • Das Bauteil 1, 120, 130 kann mehrerer solcher Bereiche 7 und damit mehrere Gerüste 10 aufweisen.
  • Das Gerüst 10 erstreckt sich im Falle einer Turbinenschaufel 120, 130 vorzugsweise von der Schaufelplattform 403 bis zur Schaufelspitze 415.
  • Das Gerüst 10 wird insbesondere durch ein Lasersinterverfahren hergestellt.
  • Insbesondere ist das Gerüst 10 porös aufgebaut und das Gussmaterial 13 ist in das Gerüst 10 eingegossen.
  • Das Gerüst 10 ist vorzugsweise in Form eines Gitters oder Gitternetzes aufgebaut (Fig. 4).
  • In einem weiteren Schritt wird dieses Gerüst 10 von einer Schmelze aus einem Gussmaterial 13 umgossen und ggf. in die Poren eingegossen, so dass das fertige Bauteil 120, 130 das Gerüst 10 umschließt, wie es in Figur 3 schematisch dargestellt ist.
  • Das Material für die Schmelze ist insbesondere metallisch (insbesondere gemäß Figur 12).
  • Figur 4 zeigt ein poröses Gerüst 10, das durch miteinander verbundene Balken 16', 16", ... gebildet ist, die hier in der Zeichnungsebene (Linien) und senkrecht zur Zeichnungsebene (offene Kreise) verlaufen.
  • Weitere Querstege oder andere Anordnungen von Stegen untereinander sind denkbar.
  • Ebenso kann jede weitere offenporige Struktur für das Gerüst 10 verwendet werden, wie z.B. in Figur 5.
  • Beim Umgießen kommt es vorzugsweise zu einem partiellen Aufschmelzen des vorzugsweise metallischen Gerüsts 10, so dass eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen diesen beiden Werkstoffen erzeugt wird.
  • Das Material für die Schmelze 13 und das Material des Gerüsts 10 sind verschieden voneinander.
  • Vorzugsweise weist das Material des Gerüsts 10 einen höheren Schmelzpunkt (insbesondere mindestens 10K) als das Material für die Schmelze 13 auf, kann vorzugsweise auch keramisch sein.
  • Das Gerüst 10 verbleibt dauerhaft im Bauteil 1, 120, 130.
  • Das Gerüst 10 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Bereichs 7 und vorzugsweise über die gesamte Höhe des Bereichs 7 und ist durch eine Schmelze aufgefüllt worden, wenn es porös ist, was aber nicht notwendigerweise vollständig erfolgen muss.
  • Das Verfahren kann insbesondere bei hohlen Bauteilen 120, 130 angewendet werden.
  • Das Gerüst 10 kann vollständig umgossen sein (Fig. 3), kann aber auch eine innere äußere Oberfläche des Bauteils 120, 130 bilden (Fig. 6) oder innere und äußere Oberfläche bilden (Fig. 7) oder nur eine äußere Oberfläche bilden (Fig. 8).
  • In Figur 7 ist die Schmelze des Gussmaterials 13 im Bereich der Berührungsfläche an das Gerüst 10 angegossen oder wenn das Gerüst 10 porös ist in das Gerüst 10 eingegossen.
  • Dadurch ist eine zielgenauere Modulierung der Produkte hinsichtlich ihrer benötigten Eigenschaften möglich.
  • Die Figur 9 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
  • 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.
  • Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
  • 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.
  • 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.
  • An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • 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.
  • Die Figur 10 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander 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 Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • 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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
  • Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • 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 besteht 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 ausbilden, 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 A1 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAIX; 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 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
  • Auf der MCrAIX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10A1-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11A1-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrAIX 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 MCrAIX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (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 MCrAIX-Schicht.
  • 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 angedeutet) auf.
  • Die Figur 11 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von 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.
  • Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
  • 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.
  • Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAIX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
  • Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAIX: 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 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrAIX 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.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (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.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass 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.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils (1, 120, 130),
    bei dem zuerst ein inneres,
    insbesondere poröses
    Gerüst (10) hergestellt wird,
    das von einem Gussmaterial (13) zumindest teilweise eingegossen oder umgossen wird,
    wobei das innere Gerüst (10) vorzugsweise nur lokal ganz vorzugsweise in einem mechanisch höher beanspruchten Bereich (7)
    des Gussbauteils (1, 120, 130) angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem das innere Gerüst (10) durch ein Rapid-Prototype-Verfahren,
    insbesondere durch ein Laser-Sinter-Verfahren hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem das Gussmaterial (13) eine metallische Schmelze darstellt.
  4. Gussbauteil,
    insbesondere hergestellt nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    das im Innern ein zumindest teilweise umgossenes Gerüst (10) aus einem mechanisch festeren Werkstoff aufweist als das Gussmaterial (13) des Bauteils (1).
  5. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Gerüst (10) metallisch ist.
  6. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, bei dem das Gerüst (10) keramisch ist.
  7. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
    bei dem das innere Gerüst (10) porös ausgebildet ist, insbesondere eine offene Porosität aufweist.
  8. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
    bei dem das poröse Gerüst (10) durch Balken (16', 16", ...) gebildet ist.
  9. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8,
    bei dem das Material des Gussmaterials (13) von dem Material des Gerüsts (10) verschieden ist,
    insbesondere einen geringeren Schmelzpunkt aufweist,
    ganz insbesondere geringer ist um mindestens 10K.
  10. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9,
    bei dem das Gerüst (10) nach dem Guss nicht entfernt wird oder ist.
  11. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10,
    das bei einem hohlen Bauteil (120, 130) angewendet wird.
  12. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,
    bei dem das Gerüst (10) eine äußere Oberfläche des Bauteils bildet,
    insbesondere nur die äußere Oberfläche des Bauteils bildet.
  13. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,
    bei dem das Gerüst (10) vollständig von dem Gussmaterial (13) umgeben ist.
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