EP2450122A1 - Optimisation of a core forming tool, method for producing a core forming tool and a core forming tool - Google Patents

Optimisation of a core forming tool, method for producing a core forming tool and a core forming tool Download PDF

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EP2450122A1
EP2450122A1 EP10189838A EP10189838A EP2450122A1 EP 2450122 A1 EP2450122 A1 EP 2450122A1 EP 10189838 A EP10189838 A EP 10189838A EP 10189838 A EP10189838 A EP 10189838A EP 2450122 A1 EP2450122 A1 EP 2450122A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
core tool
thickening
core
tool
producing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10189838A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Winfried Esser
Giuseppe Gaio
Waldemar Heckel
Rudolf Küperkoch
Oliver Lüsebrink
Thorsten Mattheis
Mirko Milazar
Artur Mol
Uwe Paul
Oliver Ricken
Oliver Schneider
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2011/067822 priority patent/WO2012059307A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C13/00—Moulding machines for making moulds or cores of particular shapes
    • B22C13/12—Moulding machines for making moulds or cores of particular shapes for cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C23/00—Tools; Devices not mentioned before for moulding
    • B22C23/02—Devices for coating moulds or cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores

Definitions

  • the invention relates to a method for optimizing a core tool, method for producing a core tool and a core tool.
  • Core tools are used in the casting of hollow components, e.g. Turbine blades used to make the inner ceramic cores.
  • a cooling medium which in turn occurs at certain points of the component out of the component.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, a method for producing a core tool according to claim 10 and a core tool according to claim 11.
  • FIG. 1 On the left shows a core tool 1, which has a deviation and therefore has to be adapted during an optimization process during casting.
  • the core tool 1 consists of at least two parts or shells 7, 10, in the cavity 2 or gap 2, a ceramic core 16 for a mold 25 (FIG. Fig. 2, 3rd ) is produced.
  • the preferably ceramic core 16 for the ceramic casting mold becomes too large and thus the interior space 22 (FIG. Fig. 2 ) of the cast component 19 ( Fig. 2 ) too large, so that then a deviation is given, for example, the cooling consumption is too high.
  • the core tool 1 is preferably locally thickened, in particular at the exit points 13 or end 13 of the core tool 1.
  • the thickening 4 is preferably carried out by chromating, Alit réelle or build-up welding.
  • the non-compliance with the tolerance of the core tool 1 can be determined in advance by flow measurement with the core tool 1 or on the cast component 19 that is connected to the generated core 16 and an outer casting shell 25 (FIG. Fig. 2 ) is poured.
  • the thickened core tool 1 ' can be used for mass production or a new core tool without thickenings is produced by means of the new geometry data of the thickened core tool 1' since the thickening does not have the same erosion properties as the material of the core, depending on the material or thickness 10th
  • the core tool 1 is used to produce casting cores for turbine blades 120, 130 (FIG. Fig. 4 ), in which preferably a nickel-based or cobalt-base superalloy according to FIG. 6 is used.
  • a core tool 1 can be used in the manufacture of cores for directionally solidified components 120, 130.
  • FIG. 3 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, 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 consists of a single crystal.
  • 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
  • a monocrystalline structure ie 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-8Al-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-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 Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • 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 MCrAIX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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 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 blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • 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 .
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, 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.
  • 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

The method of optimizing a core tool (1, 1') comprising two parts, comprises locally producing a thickening (4) in an interior (2, 2') of the core tool, producing the thickening at an upper part (7) and a lower part (10) of the core tool, and checking the core tool before and after thickening to determine deviations. The thickening is carried out by chromizing, aluminizing or cladding. A cast component prepared with the core tool is geometrically checked to determine deviations of the core tool. The thickening is generated at an end of an exit of the core tool. The method of optimizing a core tool (1, 1') comprising two parts, comprises locally producing a thickening (4) in an interior (2, 2') of the core tool, producing the thickening at an upper part (7) and a lower part (10) of the core tool, and checking the core tool before and after thickening to determine deviations. The thickening is carried out by chromizing, aluminizing or cladding. A cast component prepared with the core tool is geometrically checked to determine deviations of the core tool. The thickening is generated at an end of an exit of the core tool or in the region of an opening in outlet edges of a manufactured hollow member, where iterations of thickenings and/or adaptations of thickenings of core tools are carried out. The core tool is checked by flow measurements. An independent claim is included for a method of producing a core tool.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Kernwerkzeugs, Verfahren zur Herstellung eines Kernwerkzeugs und ein Kernwerkzeug.The invention relates to a method for optimizing a core tool, method for producing a core tool and a core tool.

Kernwerkzeuge werden beim Gießen von hohlen Bauteilen, wie z.B. Turbinenschaufeln verwendet, um die inneren keramischen Kerne herzustellen.Core tools are used in the casting of hollow components, e.g. Turbine blades used to make the inner ceramic cores.

Oft strömt in den Hohlraum der Hohlbauteile ein Kühlmedium, das an bestimmten Stellen des Bauteils wiederum aus dem Bauteil heraus tritt.Often flows into the cavity of the hollow components, a cooling medium, which in turn occurs at certain points of the component out of the component.

Diese Menge soll jedoch kontrolliert eingestellt werden. Aufgrund von Abweichungen im Kernwerkzeug, kommt es oft zu Abweichungen beim Gussteil, das dann einen Ausschuss darstellt.However, this amount should be adjusted in a controlled manner. Due to deviations in the core tool, it often comes to deviations in the casting, which then represents a committee.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, o. g. Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention, o. G. Solve a problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Kernwerkzeugs nach Anspruch 10 und ein Kernwerkzeug gemäß Anspruch 11.The object is achieved by a method according to claim 1, a method for producing a core tool according to claim 10 and a core tool according to claim 11.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigen:

  • Figur 1 schematisch den Ablauf des Verfahrens,
  • Figur 2, 3 ein Gussverfahren
  • Figur 4 eine Turbinenschaufel,
  • Figur 5 eine Gasturbine,
  • Figur 6 eine Liste von Superlegierungen.
Show it:
  • FIG. 1 schematically the procedure of the procedure,
  • FIG. 2, 3 a casting process
  • FIG. 4 a turbine blade,
  • FIG. 5 a gas turbine,
  • FIG. 6 a list of superalloys.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only embodiments of the invention.

Figur 1 links zeigt ein Kernwerkzeug 1, das eine Abweichung aufweist und daher während eines Optimierungsprozesses beim Gießen angepasst werden muss. FIG. 1 On the left shows a core tool 1, which has a deviation and therefore has to be adapted during an optimization process during casting.

Das Kernwerkzeug 1 besteht aus zumindest zwei Teilen oder Schalen 7, 10, in dessen Hohlraum 2 oder Zwischenraum 2 ein keramischer Kern 16 für eine Gussform 25 (Fig. 2, 3) erzeugt wird.The core tool 1 consists of at least two parts or shells 7, 10, in the cavity 2 or gap 2, a ceramic core 16 for a mold 25 (FIG. Fig. 2, 3rd ) is produced.

Ist dieser Zwischenraum 2 zwischen den Teilen 7, 10 zu groß, so wird der vorzugsweise keramische Kern 16 für die keramische Gussform zu groß und damit der Innenraum 22 (Fig. 2) des Gussbauteils 19 (Fig. 2) zu groß, so dass dann eine Abweichung gegeben ist, beispielsweise der Kühlverbrauch zu hoch ist.If this intermediate space 2 between the parts 7, 10 is too large, the preferably ceramic core 16 for the ceramic casting mold becomes too large and thus the interior space 22 (FIG. Fig. 2 ) of the cast component 19 ( Fig. 2 ) too large, so that then a deviation is given, for example, the cooling consumption is too high.

Erfindungsgemäß (Fig. 1 rechts) wird das Kernwerkzeug 1 vorzugsweise lokal verdickt, insbesondere an den Austrittsstellen 13 oder Ende 13 des Kernwerkzeugs 1.According to the invention ( Fig. 1 right), the core tool 1 is preferably locally thickened, in particular at the exit points 13 or end 13 of the core tool 1.

Die Verdickung 4 erfolgt vorzugsweise durch Chromierung, Alitierung oder Auftragsschweißen.The thickening 4 is preferably carried out by chromating, Alitierung or build-up welding.

Weitere Methoden zur Aufdickung sind möglich.Other methods of thickening are possible.

Es entsteht ein neues aufgedicktes Kernwerkzeug 1' (Fig. 1 rechts) .The result is a new thickened core tool 1 '( Fig. 1 right) .

Die Nicht-Einhaltung der Toleranz des Kernwerkzeugs 1 kann vorab durch Durchflussmessung mit dem Kernwerkzeug 1 oder an dem Gussbauteil 19, das mit dem erzeugten Kern 16 und einer äußeren Gussschale 25 (Fig. 2)gegossen wird, ermittelt werden.The non-compliance with the tolerance of the core tool 1 can be determined in advance by flow measurement with the core tool 1 or on the cast component 19 that is connected to the generated core 16 and an outer casting shell 25 (FIG. Fig. 2 ) is poured.

Ebenso kann das aufgedickte Kernwerkzeug 1' überprüft werden. Auch dies erfolgt vorzugsweise durch eine Durchflussmessung.Likewise, the thickened core tool 1 'can be checked. This is preferably done by a flow measurement.

Eine weitere Iteration durch eine weitere Aufdickung und Bearbeiten der bereits aufgebrachten Verdickung 4 ist möglich.Another iteration by further thickening and processing of the already applied thickening 4 is possible.

Weist der durch das modifizierte Kernwerkzeug 1' hergestellte Kern 16' keine Geometrieabweichungen auf bzw. das mit dem Kern 16' hergestellte Gussbauteil 19' (Fig. 3), so kann das aufgedickte Kernwerkzeug 1' für die Serienproduktion verwendet werden oder es wird mittels der neuen Geometriedaten des aufgedickten Kernwerkzeugs 1' ein neues Kernwerkzeug ohne Aufdickungen hergestellt, da die Aufdickung je nach Material oder Dicke nicht dieselben Erosionseigenschaften aufweist wie das Material des Kerns 10.Has the core 16 'produced by the modified core tool 1' no geometrical deviations or the cast component 19 'produced with the core 16' ( Fig. 3 ), the thickened core tool 1 'can be used for mass production or a new core tool without thickenings is produced by means of the new geometry data of the thickened core tool 1' since the thickening does not have the same erosion properties as the material of the core, depending on the material or thickness 10th

Vorzugsweise wird das Kernwerkzeug 1 zur Herstellung von Gusskernen für Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 4) verwendet, bei denen vorzugsweise eine Nickelbasis oder Kobaltbasissuperlegierung gemäß der Figur 6 verwendet wird. Ebenso kann ein solches Kernwerkzeug 1 beim Herstellen von Kernen für gerichtet erstarrte Bauteilen 120, 130 verwendet werden.Preferably, the core tool 1 is used to produce casting cores for turbine blades 120, 130 (FIG. Fig. 4 ), in which preferably a nickel-based or cobalt-base superalloy according to FIG. 6 is used. Likewise, such a core tool 1 can be used in the manufacture of cores for directionally solidified components 120, 130.

Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.The FIG. 3 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which 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 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.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.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .As a guide blade 130, the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).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).

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.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 Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.The blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.In conventional blades 120, 130, for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.

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.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.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 werden 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.The production of 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.

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.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 consists of a single crystal. In these processes, one must avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries, which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.

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).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.

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known.

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 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .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 the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 ,

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.The density is preferably 95% of the theoretical density.

Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).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).

Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y. Besides these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-0,4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.

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.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. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAIX layer.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 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 im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.

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.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.

Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.The 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, four turbine stages 112 connected in series form the 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.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.To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.

Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.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 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (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, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). 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 .Also, the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium). Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 ,

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.

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.

Claims (11)

Verfahren zur Optimierung eines Kernwerkzeugs (1),
das (1) insbesondere aus zumindest zwei Teilen (7, 10) besteht,
wobei zumindest lokal,
insbesondere nur lokal,
eine Aufdickung (4) im Innern (2, 2' ) des Kernwerkzeugs (1) erfolgt.Method for optimizing a core tool (1),
(1) consists in particular of at least two parts (7, 10),
being at least locally,
especially only locally,
a thickening (4) in the interior (2, 2 ') of the core tool (1). Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Aufdickung (4) des Kernwerkzeugs (1) nur lokal erfolgt.Method according to claim 1,
in which the thickening (4) of the core tool (1) takes place only locally. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Verdickung (4) auf Oberteil (7) und Unterteil (10) des Kernwerkzeugs (1) erfolgt.Method according to claim 1 or 2,
in which the thickening (4) on upper part (7) and lower part (10) of the core tool (1). Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem zumindest ein Verfahren der Chromierung, Alitierung oder Auftragsschweißen zur Aufdickung (4) verwendet wird.Method according to claim 1, 2 or 3,
in which at least one method of chromium plating, alitization or build-up welding is used for thickening (4). Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
bei dem das Kernwerkzeug (1) vor und nach der Aufdickung (4) überprüft wird, um Abweichungen festzustellen.Method according to claim 1, 2, 3 or 4,
in which the core tool (1) is checked before and after the thickening (4) to detect deviations. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5,
bei dem ein Gussbauteil (19, 19'),
das mit dem Kernwerkzeug (1, 1') hergestellt wurde geometrisch überprüft wird,
um Abweichungen des Kernwerkzeugs (1, 1') festzustellen.Method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5,
in which a cast component (19, 19 '),
that was produced with the core tool (1, 1 ') was checked geometrically,
to detect deviations of the core tool (1, 1 '). Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem die Aufdickung (4) am Ende (13) eines Ausgangs des Kernwerkzeugs (1) oder im Bereich einer Öffnung in Austrittskanten (412) eines herzustellenden hohlen Bauteils (120, 130) erzeugt wird.Method according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6,
in which the thickening (4) is produced at the end (13) of an exit of the core tool (1) or in the region of an opening in exit edges (412) of a hollow component (120, 130) to be produced. Verfahren nach Anspruch 7,
bei dem mehrere Iterationen von Aufdickungen (4) und/oder Bearbeitungen von Aufdickungen (4) von Kernwerkzeugen (1, 1') durchgeführt werden.Method according to claim 7,
in which a plurality of iterations of thickenings (4) and / or machining of thickenings (4) of core tools (1, 1 ') are carried out. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7,
bei die Überprüfung insbesondere mittels Durchflussmessungen erfolgt.Method according to claim 5, 6 or 7,
in the review, in particular by means of flow measurements. Verfahren zur Herstellung eines Kernwerkzeugs,
bei dem aufgrund der Daten des optimierter aufgedickten Kernwerkzeugs (1'), insbesondere nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 oder des so hergestellten Kerns (16') oder des Gussbauteils (19'), das mit dem Kern (16') hergestellt wurde,
ein neues Kernwerkzeug ohne Aufdickung mit den Maßen des aufgedickten Kernwerkzeugs (1') hergestellt wird.Method for producing a core tool,
in which, based on the data of the optimized thickened core tool (1 '), in particular according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9 or the core (16') or the cast component (19 ') produced in this way made with the core (16 '),
a new core tool without thickening with the dimensions of the thickened core tool (1 ') is produced. Kernwerkzeug (1') mit lokaler Aufdickung,
insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.Core tool (1 ') with local thickening,
in particular produced according to one or more of the preceding claims.
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