EP2463043A1 - Keramisches Gussformteil mit verschiedenen Schrumpffaktoren und Gußverfahren - Google Patents

Keramisches Gussformteil mit verschiedenen Schrumpffaktoren und Gußverfahren Download PDF

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EP2463043A1
EP2463043A1 EP10194151A EP10194151A EP2463043A1 EP 2463043 A1 EP2463043 A1 EP 2463043A1 EP 10194151 A EP10194151 A EP 10194151A EP 10194151 A EP10194151 A EP 10194151A EP 2463043 A1 EP2463043 A1 EP 2463043A1
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EP
European Patent Office
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casting
ceramic
region
regions
mold part
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10194151A
Other languages
English (en)
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
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Priority to PCT/EP2011/069085 priority patent/WO2012076253A1/de
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/103—Multipart cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/106—Vented or reinforced cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B22C9/24—Moulds for peculiarly-shaped castings for hollow articles

Definitions

  • the invention relates to ceramic moldings having regions with different shrinkage behavior and a casting process.
  • Ceramic molded parts are used in the manufacture of metallic cast components, which in particular can also be hollow, as is the case, for example, with cooled turbine blades.
  • the hollow areas of these components are represented by ceramic bodies (technical term casting cores), which are incorporated in a ceramic casting shell.
  • the object is achieved by a ceramic casting according to claim 1 and by a method according to claim 7.
  • FIG. 1 a ceramic casting 4 is shown.
  • the ceramic casting 4 preferably serves for the production of components for a gas turbine 100 (FIG. Fig. 5 ). These are in particular turbine blades 120, 130 (FIG. FIG. 4 ), which are cast in particular hollow and in particular by cooling air in operation via the trailing edge 412 ( Fig. 4 ) of the sheet 406 ( Fig. 4 ) and in particular a material of a nickel- or cobalt-based superalloy, in particular according to FIG. 6 exhibit.
  • the ceramic cast shell 23, as an example of a ceramic cast part 4, has a cavity 22 in which a ceramic cast core 19 is optionally used ( Fig. 3 ).
  • the ceramic casting shell 23 is preferably divided into two regions 7, 10, the number of these regions being subject to no restriction and not limited to multi-layered casting molds (cf. EP 1266706 A1 or generally: inside: low-reaction, mechanically stable outside material) or the areas 7, 10 then correspond to a layer of such a shape.
  • the low-shrinkage region 10, 10 ' has a different material than the region 7.
  • the material of the low-shrinkage region 10 therefore has a lower shrinkage behavior.
  • the cross sections of the cooling holes of the trailing edge 412 of a turbine blade 120, 130 (FIG. Fig. 4 ) certainly. These must be made very accurately in order to achieve the desired flow. Therefore, in particular, the part of the casting core 19 constitutes the low-shrinkage region 10 'which determines these cooling air holes.
  • the ceramic casting part 4 has a longitudinal direction 13, 13 ', which preferably corresponds to the solidification direction of a melt in a casting mold with the casting part 4. Along this longitudinal direction 13, 13 ', fibers 16, 16', 16 ", ... are present in the region 10, 10 '.
  • the matrix material of the low shrinkage region 10 can be completely different or have the same matrix material as for the other region 7, but contain secondary material such as fibers 16, 16 ', 16 "as secondary material
  • the fibers 16, 16', 16" positively influence the shrinkage behavior, ie they lead to a lower shrinkage behavior.
  • fiber mats can be used.
  • castings can be produced with the mold parts 4, 19, 23 controlled. There are few or no iterations to the optimized mold necessary. Likewise have to existing mold elements or core tools are not modified.
  • FIG. 4 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. Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known.
  • 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 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 MCrAlX 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. 5 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 .
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member of the group Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • M is at least one member of the group Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of 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 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 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.

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

Abstract

Durch die Verwendung eines Materials mit unterschiedlichem Schrumpfverhalten, insbesondere durch Fasern (16), kann kontrolliert die Schrumpfung eines keramischen Gussformteils (4) eingestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft keramische Gussformteile, die Bereiche mit unterschiedlichem Schrumpfverhalten aufweist und ein Gußverfahren.
  • Keramische Gussformteile werden verwendet beim Herstellen von metallischen Gussbauteilen, die insbesondere auch hohl sein können, wie es zum Beispiel der Fall ist bei gekühlten Turbinenschaufeln. Die hohlen Bereiche dieser Bauteile werden durch keramische Körper (Fachbegriff Gießkerne) dargestellt, die in einer keramischen Gussschale eingearbeitet sind.
  • Die keramischen Körper werden aus einem keramischen Precursor (keramischen Vorform = Grünling) hergestellt, welcher durch einen Gieß- und Spritzvorgang erzeugt wird, wobei in den einzelnen Herstellungsschritten eine Schrumpfung des Material erfolgt.
  • Insbesondere in dünnen Bereichen muss die Schrumpfung sehr kontrolliert erfolgen. Dies ist insbesondere der Fall bei gekühlten hohlen Turbinenschaufeln, bei denen sich die Menge des Durchflusses des Kühlmittels durch die inneren Querschnitte innerhalb der Turbinenschaufel bestimmt, die wiederum durch die äußere Gussform und/oder durch den inneren keramischen Gießkern bestimmt wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem der Schrumpfung zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Gussformteil gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen
    • Figur 1 - 3
    schematisch eine Darstellung der Erfindung;
    Figur 4
    eine Turbinenschaufel;
    Figur 5
    eine Gasturbine und
    Figur 6
    eine Liste von Superlegierungen.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • In Figur 1 ist ein keramisches Gussformteil 4 gezeigt. Das keramische Gussformteil 4 dient vorzugsweise zur Herstellung von Bauteilen für eine Gasturbine 100 (Fig. 5). Dies sind insbesondere Turbinenschaufeln 120, 130 (Figur 4), die insbesondere hohl gegossen sind und die insbesondere durch Kühlluft im Betrieb über die Austrittskante 412 (Fig. 4) des Blattes 406 (Fig. 4) gekühlt werden sowie insbesondere ein Material aus einer Nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, insbesondere gemäß Figur 6 aufweisen.
  • Die keramische Gussschale 23 als ein Beispiel für ein keramisches Gussformteil 4 weist einen Hohlraum 22 auf, in dem ggf. ein keramischer Gießkern 19 verwendet wird (Fig. 3).
  • Zwischen Gussschale 23 und Gießkern 19 wird eine Schmelze eingebracht.
  • Die keramische Gussschale 23 ist hier vorzugsweise in zwei Bereiche 7, 10 aufgeteilt, wobei die Anzahl dieser Bereiche keinerlei Beschränkung unterworfen ist und sich nicht auf mehrlagige Gussformen (siehe EP 1266706 A1 oder allgemein: innen: reaktionsarmes, außen mechanisch stabiles Material) bezieht oder die Bereiche 7, 10 entsprechen dann einer Lage einer solchen Form.
  • Ebenso kann die Idee auf einen Gießkern 19 angewendet werden, der nicht mehrlagig aufgebaut ist (Fig. 3), sondern nur massiv ist.
  • Nur beispielhaft erläutert ist der Bereich 10, 10' im Bereich der Abströmkante 412 einer hohlen Turbinenschaufel 120, 130, aus dem ein Kühlmedium austritt, die den Massenstrom eines Kühlmediums bestimmt, der besonders genau eingestellt werden muss.
  • Daher weist der Niedrigschrumpfbereich 10, 10' ein anderes Material auf als der Bereich 7.
  • Das Material des Niedrigschrumpfbereichs 10 weist daher ein geringeres Schrumpfverhalten auf.
  • Dies kann insbesondere durch die in Inkorporation von einer Sekundärphase, insbesondere von Fasern 16, 16', 16" erfolgen (Fig. 2).
  • Insbesondere mit dem Gießkern 19 werden die Querschnitte der Kühllöcher der Abströmkante 412 einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 4) bestimmt. Diese müssen sehr genau hergestellt werden, um den gewünschten Durchfluss zu erreichen. Daher stellt insbesondere der Teil des Gießkerns 19 den Niederschrumpfbereich 10' dar, der diese Kühlluftlöcher bestimmt.
  • Das keramische Gussformteil 4 weist eine Längsrichtung 13, 13' auf, die vorzugsweise der Erstarrungsrichtung einer Schmelze in einer Gussform mit dem Gussformteil 4 entspricht. Entlang dieser Längsrichtung 13, 13' sind in dem Bereich 10, 10' Fasern 16, 16', 16", ... vorhanden.
  • Das Matrixmaterial des Niedrigschrumpfbereichs 10 kann völlig verschieden sein oder dasselbe Matrixmaterial wie für den anderen Bereich 7 aufweisen, aber Sekundärmaterial wie Fasern 16, 16', 16" als Sekundärmaterial beinhalten. Die Fasern 16, 16', 16" beeinflussen das Schrumpfverhalten positiv, d. h. sie führen zu einem geringeren Schrumpfverhalten.
    Ebenso können Fasermatten verwendet werden.
  • So können Gussteile mit den Gussformteilen 4, 19, 23 kontrolliert hergestellt werden. Es sind wenige oder keine Iterationen zur optimierten Gussform notwendig. Ebenso müssen bestehende Gussformelemente oder Kernwerkzeuge nicht modifiziert werden.
  • Die Figur 4 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. (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 .
  • 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).
  • 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 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. 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 MCrAlX-Schicht.
  • 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.
  • 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 5 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 101 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.
  • 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 .
  • Auf der MCrAlX kann noch eine 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Keramisches Gussformteil (4),
    das zumindest zwei Bereiche (7, 10) aufweist,
    wobei zumindest ein Niedrigschrumpfbereich (10) ein anderes Material aufweist als der andere Bereich (7),
    wobei die Bereiche (7, 10) zu derselben Schicht gehören, wenn das Gussformteil (4) mehrlagig aufgebaut ist.
  2. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1,
    das einem Gießkern (19) mit zwei Bereichen (7, 10) entspricht.
  3. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1,
    das einen Hohlraum (22) aufweist,
    insbesondere eine Gussschale (23) darstellt.
  4. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Material des Niedrigschrumpfbereichs (10) Fasern (16) aufweist.
  5. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Matrixmaterial des Niedrigschrumpfbereichs (10) dem Material oder dem Matrixmaterial des anderen Bereichs (7) entspricht.
  6. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 4 oder 5,
    bei dem das keramische Gussformteil (4) eine Längsrichtung (13) aufweist und die Fasern (16) in der Längsrichtung (13) verlaufen,
    wobei die Längsrichtung (13) vorzugsweise einer Erstarrungsrichtung einer Schmelze in einer Gussform mit dem Gussformteil (4) entspricht.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils (120, 130, 155),
    bei dem zumindest ein Gussformteil (4, 19 ,23) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche verwendet wird.
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