EP2694780A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil

Info

Publication number
EP2694780A1
EP2694780A1 EP12715340.1A EP12715340A EP2694780A1 EP 2694780 A1 EP2694780 A1 EP 2694780A1 EP 12715340 A EP12715340 A EP 12715340A EP 2694780 A1 EP2694780 A1 EP 2694780A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
wax
plastic
tip
structures
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Withdrawn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
EP12715340.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Schreiber
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.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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 Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP2694780A1 publication Critical patent/EP2694780A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/02—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
    • B32B3/06—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions for securing layers together; for attaching the product to another member, e.g. to a support, or to another product, e.g. groove/tongue, interlocking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/26—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • B32B3/30—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer characterised by a layer formed with recesses or projections, e.g. hollows, grooves, protuberances, ribs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/0032—Ancillary operations in connection with laminating processes increasing porosity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F01D11/125—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material with a reinforcing structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F05D2230/211—Manufacture essentially without removing material by casting by precision casting, e.g. microfusing or investment casting
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component, a component produced by the method, and a turbomachine with a component.
  • turbomachinery in particular, it is necessary to use components that are either themselves thermally or mechanically particularly stable, or to use components that protect other parts of the machine from thermal or mechanical, as well as physical loads.
  • temperatures of 2,000 K or higher can be achieved.
  • metallic components with a ceramic coating.
  • the ceramic coating serves primarily as a thermal barrier coating.
  • metallic components with plastic-containing coatings, in particular fiber composite layers since these bring, for example, weight advantages.
  • the coating (ceramic or plastic-containing) and the metallic component have different thermal and mechanical properties, so that the risk exists that under thermal and / or mechanical and physical stress, the ceramic coating dissolves from the metallic component.
  • a method for the production of ceramic-coated metallic components is basically known.
  • EP 1 450 006 B1 the use of fiber composite layers is known.
  • a wax model with a wax structure for a precision casting process is produced.
  • the tip of the wax structure is thermally and / or mechanically treated, so that forms an area with an undercut on the wax structure.
  • thermal treatment of the tip of the region of the tip is melted, so that forms an undercut due to the surface tension of the wax.
  • the metallic component is then produced from the wax model by means of the precision casting process, wherein a component structural element with an undercut is formed on a surface of the component.
  • a component structural element is at least partially provided with a ceramic coating, a plastic-containing coating, in particular a fiber composite layer and / or a plastic component.
  • undercuts of the component structural elements By the undercuts of the component structural elements a secure, positive fit of the coating (ceramic and / or plastic-containing) and / or the plastic component is made possible, wherein the undercuts are produced by the thermal and / or mechanical treatment is particularly efficient.
  • the mechanical stresses within the ceramic coating are reduced in that, after the application of the ceramic coating, a controlled segmentation crack formation takes place starting from the component structure element in the ceramic coating.
  • the tips The component structure elements serve as a starting point for the targeted Segment michsriss Struktur.
  • a material permeable to a hardenable plastic material is first applied to the metallic component, wherein then the curable plastic is poured through the permeable material. It is particularly advantageous if the permeable material has a nonwoven fabric, a fiber mat, a textile material, a composite fiber mat and / or a carbon fiber mat. In this way, light and flexible plastic-containing coatings and / or plastic components can be applied to the metallic part.
  • the thermal treatment of the tip of the wax structure is carried out by means of a laser, an IR radiation source, a flame and / or a contact heating.
  • a laser device can specifically thermally deform certain wax structures, an IR radiation source or a flame can thermally deform larger areas efficiently. If the wax structures are brought into contact with a hot plate, then a contact heating can take place, wherein additionally a pressure force can be applied to the wax structures.
  • the thermal treatment of the wax structure of the wax model can be uniform or locally different.
  • the wax structure - and ultimately also the component structural element - can be specifically adapted to the thermal and / or mechanical requirements in the turbomachine.
  • the wax structure has substantially rod-shaped structures, linear structures, lattice structures and / or honeycomb structures. These wax structures can also be used in combination in a wax model.
  • Particularly advantageous embodiments are those in which after the thermal treatment of the tip of the wax structure, the tip is rounded or mushroom-shaped, wherein the undercut is disposed below the rounded or mushroom-shaped tip.
  • the component structural elements have a height on average between 0.2 and 2 mm. It is also advantageous if, on average, there is a distance of between 0.2 and 4 mm between two component structural elements.
  • an intermediate layer in particular a primer layer, a corrosion protection layer and / or an oxidation protection layer is applied.
  • the intermediate layer may in particular consist of MCrAIY.
  • a component can be produced which has the stated advantages.
  • a particularly advantageous use is in a turbomachine, in particular a steam or gas turbine, or an aircraft engine.
  • the component can be used as a liner in or on a wall, as a turbine blade, compressor blade and / or as a heat protection element.
  • FIG. 1 shows a side view of an embodiment of a wax model for a
  • FIGS. 1A, B detailed views of wax structures of the wax model according to FIG. 1;
  • Fig. 2 a side view of the wax model of FIG. 1 with a
  • FIGS. 2A, B detailed views of wax structures of the wax model according to FIG. 2;
  • FIG. 3 is a side view of an embodiment of a component, which in
  • FIG. 5 shows a side view of the component according to FIG. 4 with a
  • FIG. 6 shows a side view of an embodiment of a component with a plastic-containing coating at a first point in time
  • FIGS. 8A, B show detailed views of embodiments of wax structures before a thermal / mechanical treatment
  • 10A-D are detailed plan views of components with device features
  • Fig. 1 1 is a perspective view of an aircraft engine with
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a wax model 20.
  • wax model here refers to a casting model in investment casting. Other materials can also be used for the casting model.
  • Wax structures 21 are arranged on the upper side of the wax model 20. The wax structures 21 ultimately become component structural elements 11 (see, for example, FIG. 3) on a component 10 after a precision casting process.
  • the wax structures 21 are arranged essentially linearly and parallel to one another.
  • the distance A between the component structure elements 1 1 can be 0.2 to 4 mm.
  • the height H of the component structure elements 1 1 can be between 0.2 and 2 mm.
  • FIG. 1A shows a part of a wax structure 21 with an angular structure
  • FIG. 1B shows rod-shaped wax structures 21 with a round cross-section.
  • the wax model 20 is intended for use in a precision casting process.
  • the wax models 20 are typically formed from special waxes, thermoplastics or mixtures thereof and produced for example by injection molding.
  • the wax models 20 have a comparatively low melting point so that they can be melted out of a casting mold (not shown here) as part of the precision casting process.
  • This casting method of the lost form allows the production of very fine component structural elements 1 1 with very small tolerances. Also, the surface quality of the components 10 produced by this method is very good, so that usually no reworking is required.
  • components 10 can be produced, the fine device structure elements 1 1, such. have closely juxtaposed linear component structures 1 1 and / or rod-shaped component structure elements 1 1.
  • the tips 23 of the wax structures 21 become in a next process step by a thermal and / or mechanical treatment T (symbolized by arrows in FIG. 1) with a contact plate 5 plastically deformed.
  • T thermal and / or mechanical treatment
  • Below the widened tip 23 is an undercut 22, which - as will be described below - for the connection to the coating 2 (ceramic and / or plastic-containing) (see Fig. 4, 7) and / or the plastic component is important ,
  • the contact plate 5 can not only be formed flat, but also have an adapted to the wax model 20 contouring.
  • the deformation of the tips 23 can be supported. If, for example, the tip 23 of the wax structure 21 is exposed to laser radiation, a flame and / or a heated contact plate 5 (see FIGS. 8A, B), the plastic of the wax model 20 melts at the tip 23. If this thermal treatment does not take too long, only the tip 23 melts, with the melt assuming a spherical shape due to surface effects. After completion of the thermal treatment, the plastic at the tip 23 solidifies into a kind of bead or mushroom, which is wider or has a larger diameter than the unfused wax structure 21 below the deformed region. To this In this way, an undercut 22 forms on the wax structures 21 below the molten area.
  • the angular wax structure 21 from FIG. 1A and in FIG. 2B the rod-shaped wax structures 21 from FIG. 1B are each shown in detail with undercuts 22 after the thermal / mechanical deformation T. In this case, the spherical or mushroom-shaped formation of the tips 23 can be seen.
  • a wax model 20 is described, which is used in a known investment casting process.
  • the lost wax model 20 i. after making a mold, the wax model 20 is lost by melting out of the mold.
  • a metallic material is then cast, at the end of the provisional component 10 'is formed, which is shown schematically in Fig. 3.
  • the preliminary component 10 'three-dimensional component structure elements 1 1 were created by the investment casting process.
  • the component structure elements 1 1 have at the respective peaks rounding or thickening, so that undercuts 12 have emerged below.
  • a ceramic coating 2 is applied to this preliminary component 10 ', the component 10 which is suitable and designed to be exposed to particular thermal stresses in a turbomachine is present.
  • the ceramic coating 2 is held in particular by the form-fitting, which results from the undercuts 12.
  • the ceramic coating 2 may be e.g. be applied by plasma spraying, in particular atmospheric plasma spraying.
  • segmentation cracks 3 extend from the tips of the component structure elements 11 and extend to the top of the component 10.
  • the segmentation cracks, together with the configuration of the component 10, contribute specifically to the stabilization of the ceramic coating 2 as a whole.
  • segmentation cracks 3 occur when the very hot-deposited ceramic mass cools or in later operating states characterized by high thermal gradients or transients. The tensile stresses occurring lead to the Segment michsrissen third
  • the segmentation cracks 3-and thus the ceramic elements of the ceramic coating 2- will also form with a certain regularity in terms of shape and size.
  • crack densities between 5 and 30 cracks / mm can be achieved.
  • a plastic-containing coating 6, 7 is analogous to FIGS. 3 and 4.
  • Such a coating may alternatively be a ceramic coating 2 or in addition e.g. be made at a different location of the component 10.
  • a material 6 is placed on the component 10, in this case the tips of the component structure element 11 (see FIG. 6), which is used for a curable plastic, such as a plastic material.
  • Resin RTM 6, permeable are nonwoven fabrics, a fiber mat, textile materials, a composite fiber mat and / or a carbon fiber mat.
  • the fibers may e.g. also made of glass, ceramic, aramid or metals.
  • the dry fibers can also be pressed at least partially between the component structure elements 1 1.
  • Fig. 6 is to be understood only schematically in this regard.
  • a curable plastic 7 is poured through the permeable material 7, wherein the permeable material 6 remains impregnated as a matrix of the plastic and that he cured plastic behind the undercuts 12.
  • the result is a fiber composite layer 6, 7, which is securely connected to the component 10 by the undercuts 12.
  • Fig. 6 and 7 describes how a plastic-containing coating is made, ie how the application of a plastic-containing material layer takes place.
  • This material layer 6 does not necessarily have to be in the form of a mat or similar flat material.
  • the plastic part 6 can also be a separate plastic component which has a complex shape and may already be adapted to the shape of the component 10.
  • FIGS. 8A and 8B two wax structures 21 are shown in cross-section, which lead to component structural elements 11 of the same shape after the performance of the investment casting process described.
  • the tip 23 of the wax structures 21 is shown undeformed in FIGS. 8A and 8B.
  • the wax structure 21 of FIG. 8A has a narrow tip 23 and a wider base.
  • the wax structure 21 is made relatively slender.
  • the wax structures 21 may be, for example, linear structures or even more rod-shaped.
  • the wax structure 21 according to FIG. 8A would stand for a frusto-conical structure, the wax structure 21 according to FIG. 8B for a rod-shaped structure.
  • FIGS. 8A and 8B schematically indicate that a thermal deformation T, for example by a hot contact plate, can be carried out, the hot contact plate being pressed onto the tip 23 of the wax structure 21 so that the tip 23 is under the effect of heat and the mechanical pressure deformed.
  • Figs. 9A and 9B The result of the thermal treatment is shown in Figs. 9A and 9B, with Fig. 9A being associated with Fig. 8A and Fig. 9B with Fig. 8B.
  • Fig. 9A being associated with Fig. 8A
  • Fig. 9B with Fig. 8B.
  • the emergence of the undercut 23 below the deformed tip 23 can be seen.
  • the wax structures 21 (and thus also the component structure elements 1 1 of the component 10) have substantially the same shape with each other. This does not necessarily have to be the case.
  • linear and rod-shaped wax structures 21 could be combined with one another in a wax model 20.
  • the dimensions of the wax structures 21 and the density of the wax structures 21 on the wax model 20 may be different.
  • components 10 with very different component structural elements 1 1 can be produced efficiently.
  • the shape and arrangement of the component structure elements 1 1 can be adapted to the particular application purposes.
  • FIGS. 10A to 10D Various embodiments for the arrangement of component structure elements 1 1 on a component 10 are shown schematically in plan views in FIGS. 10A to 10D.
  • Fig. 10A a regular arrangement of rod-shaped building part structures 1 1 is shown.
  • the individual rod-shaped component structure elements 1 1 are linearly arranged in rows and rows. There is thus a regular arrangement of component structural elements 11.
  • Fig. 10B are also rod-shaped component structural elements 1 1, wherein these are arranged in a random pattern.
  • FIG. 10C shows an embodiment of a component 10 on which linear component structure elements 11 are arranged in the form of a regular lattice network.
  • FIG. 10D shows an embodiment of a component 10 in which the component structure elements 1 1 have a honeycomb shape.
  • a component 10 it is possible for different regions of a component 10 to also have different component structural elements 11.
  • linear component structural elements 1 1, which are relatively far apart, are present, in another part of the component rod-shaped component structural elements 1 1 are arranged very close to each other.
  • the type of structuring can thus be adapted to the thermal and mechanical as well as physical loading of the component 10.
  • Fig. 1 1 an aircraft engine 100 is shown as an example of a turbomachine in a perspective view.
  • the components 10, the production and properties of which have been described above, can be used in particular in areas of such a turbomachine in which a high temperature load is present.
  • a ceramic coating 2 serves as a thermal barrier coating.
  • An alternatively or additionally applied fiber composite material layer 6, 7 can serve for the protection of underlying layers.
  • the components 10 make sense to arrange the components 10 in the region of the combustion chamber 101 or in the inlet region 102 of the turbine, since particularly high temperatures (eg between 1 .100 and 2,000 K) are present here. Additionally or alternatively, the components 10 can also be used as liners in walls of the turbine, since there are high mechanical and thermal, as well as physical loads. It is also possible to produce components of the aircraft engine 100 by precision casting themselves so that they have the properties of the component 10. An aircraft engine 100 is only one example of the use of a component 10 of the type described here. The components 10 can also be used in stationary gas or steam turbines.
  • permeable material e.g. Fiber mat

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils (10) besonders eingerichtet und ausgebildet für eine Turbomaschine (100), wobei a) für ein Feingussverfahren ein Wachsmodell (20) mit einer Wachsstruktur (21) hergestellt wird, anschließend b) die Spitze (23) der Wachsstruktur (21) thermisch und / oder mechanisch behandelt wird, so dass sich an der Wachsstruktur (21) ein Bereich mit einer Hinterschneidung (22) bildet, anschließend c) im Feingussverfahren aus dem Wachsmodell (20) das metallische Bauteil (10) hergestellt wird, wobei auf einer Oberfläche des Bauteils (10) ein Bauteilstrukturelement (11) mit Hinterschneidung (12) entsteht, d) das Bauteilstrukturelement (11) mindestens teilweise mit einer keramischen Beschichtung (2), einer kunststoffhaltigen Beschichtung (6, 7), insbesondere einer Faserverbundschicht und / oder einem Kunststoff-Bauelement versehen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil, herstellbar mit diesem Verfahren sowie Verwendungen in Turbomaschinen.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, Bauteil und Turbomaschine mit Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil herstellbar mit dem Verfahren, sowie eine Turbomaschine mit einem Bauteil. Insbesondere in Turbomaschinen ist es notwendig, Bauteile zu verwenden, die entweder selbst thermisch oder mechanisch besonders stabil sind, oder Bauteile zu verwenden, die andere Teile der Maschine vor thermischen oder mechanischen, sowie physikalischen Belastungen schützen. In einem Flugzeugtriebwerk können Temperaturen von 2.000 K oder höher erreicht werden. Dabei ist es u.a. bekannt, metallische Bauteile mit einer keramischen Beschichtung zu versehen. Die keramische Beschichtung dient dabei vor allem als Wärmedämmschicht. Auch ist es bekannt, metallische Bauteile mit kunststoffhaltigen Beschichtungen, insbesondere Faserverbundschichten zu versehen, da diese z.B. Gewichtsvorteile bringen. Die Beschichtung (keramisch oder kunststoffhaltig) und das metallische Bauteil besitzen unterschiedliche thermische und mechanische Eigenschaften, so dass die Gefahr besteht, dass bei thermischer und / oder mechanischer sowie physikalischer Belastung sich die keramische Beschichtung von dem metallischen Bauteil löst. Aus der DE 10 2005 050 873 A1 ist grundsätzlich ein Verfahren zur Herstellung keramisch beschichteter metallischer Bauteile bekannt. Aus der EP 1 450 006 B1 ist die Verwendung von Faserverbundschichten bekannt.
Es besteht daher der Bedarf, effiziente Verfahren zu finden, mit denen solche Bauteile in Verbundbauweise herstellbar sind.
Dies wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung eines metallischen Bauteils, besonders eingerichtet und ausgebildet für eine Turbomaschine, ermöglicht.
Dabei wird zunächst ein Wachsmodell mit einer Wachsstruktur für ein Feingussverfahren hergestellt. Anschließend wird die Spitze der Wachsstruktur thermisch und / oder mechanisch behandelt, so dass sich an der Wachsstruktur ein Bereich mit einer Hinterschneidung bildet. Insbesondere beim thermischen Behandeln der Spitze wird der Bereich der Spitze aufgeschmolzen, so dass sich auf Grund der Oberflächenspannung des Wachses eine Hinterschneidung bildet.
Dann wird im Feingussverfahren aus dem Wachsmodell das metallische Bauteil hergestellt, wobei auf einer Oberfläche des Bauteils ein Bauteilstrukturelement mit Hinterschneidung entsteht. Schließlich wird ein Bauteilstrukturelement mindestens teilweise mit einer keramischen Beschichtung, einer kunststoffhaltigen Beschichtung insbesondere einer Faserverbundschicht und / oder einem Kunststoff-Bauelement versehen versehen.
Durch die Hinterschneidungen der Bauteilstrukturelemente wird ein sicherer, formschlüssiger Halt der Beschichtung (keramisch und / oder kunststoffhaltig) und oder des Kunststoff-Bauelements ermöglicht, wobei die Hinterschneidungen durch die thermische und / oder mechanische Behandlung besonderes effizient herstellbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante werden die mechanischen Spannungen innerhalb der keramischen Beschichtung dadurch verringert, dass nach dem Aufbringen der keramischen Beschichtung eine kontrollierte Segmentierungsrissbildung ausgehend von dem Bauteilstrukturelement in der keramischen Beschichtung erfolgt. Die Spitzen der Bauteilstrukturelemente dienen dabei als Ausgangspunkt für die gezielte Segmentierungsrissbildung.
Vorteilhafterweise wird für das Aufbringen der kunststoffhaltigen Beschichtung, der Faserverbundschicht und / oder des Kunststoff-Bauelements zunächst ein für einen aushärtbaren Kunststoff permeables Material auf das metallische Bauteil aufgebracht, wobei anschließend der aushärtbare Kunststoff durch das permeable Material gegossen wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das permeable Material ein Faservlies, eine Fasermatte, ein textiles Material, eine Verbundfasermatte und / oder eine Kohlefasermatte aufweist. Auf diese Weise lassen sich leichte und flexible kunststoffhaltige Beschichtungen und / oder Kunststoff-Bauelemente auf das metallische Teil aufbringen.
In vorteilhaften Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die thermische Behandlung der Spitze der Wachsstruktur mittels eines Lasers, einer IR-Strahlungsquelle, einer Flamme und / oder einer Kontakterhitzung vorgenommen. Eine Laservorrichtung kann gezielt bestimmte Wachsstrukturen thermisch verformen, eine IR-Stahlungsquelle oder eine Flamme können größere Bereiche effizient thermisch verformen. Wenn die Wachsstrukturen mit einer heißen Platte in Berührung gebracht werden, so kann eine Kontakterhitzung stattfinden, wobei zusätzlich auch noch eine Druckkraft auf die Wachsstrukturen aufgebracht werden kann.
Dabei kann die thermische Behandlung der Wachsstruktur des Wachsmodells gleichförmig oder lokal unterschiedlich erfolgen. Im letzteren Fall kann die Wachsstruktur - und damit letztlich auch das Bauteilstrukturelement - gezielt den thermischen und / mechanischen Anforderungen in der Turbomaschine angepasst werden.
In vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Wachsstruktur im Wesentlichen stabförmige Strukturen, lineare Strukturen, Gitterstrukturen und / oder Honigwabenstrukturen auf. Diese Wachsstrukturen können auch in Kombination in einem Wachsmodell angewandt werden.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen nach der thermischen Behandlung der Spitze der Wachsstruktur die Spitze abgerundet oder pilzförmig ausgebildet ist, wobei die Hinterschneidung unterhalb der abgerundeten oder pilzförmigen Spitze angeordnet ist. Für eine gute Verbindung zwischen dem metallischen Teil des Bauteils und der Beschichtung (keramisch und / oder kunststoffhaltig) und / oder des Kunststoff- Bauelementes ist es vorteilhaft, wenn die Bauteilstrukturelemente im Mittel eine Höhe zwischen 0,2 und 2 mm aufweisen. Auch ist es vorteilhaft, wenn zwischen zwei Bauteilstrukturelementen im Mittel ein Abstand zwischen 0.2 und 4 mm liegt.
Vor dem Aufbringen der Beschichtung (keramisch und / oder kunststoffhaltig) und / oder des Kunststoff-Bauelementes kann es vorteilhaft sein, wenn eine Zwischenschicht, insbesondere eine Haftvermittlerschicht, eine Korrosionsschutzschicht und / oder eine Oxidationsschutzschicht aufgebracht wird. Die Zwischenschicht kann insbesondere aus MCrAIY bestehen.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist ein Bauteil herstellbar, das die genannten Vorteile aufweist. Eine besonders vorteilhafte Verwendung liegt in einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampf- oder Gasturbine, oder einem Flugzeugtriebwerk vor. Dabei kann das Bauteil als Liner in oder an einer Wandung, als Turbinenschaufel, Verdichterschaufel und / oder als Wärmeschutzelement eingesetzt werden.
In den folgenden Figuren werden verschiedene Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, dabei zeigt
Fig. 1 : eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Wachsmodells für ein
Bauteil; Fig. 1 A, B: Detailansichten von Wachsstrukturen des Wachsmodells gemäß Fig. 1 ;
Fig. 2: eine Seitenansicht des Wachsmodells gemäß Fig. 1 mit einer
Wachsstruktur nach einer thermischen Umformung; Fig. 2A, B: Detailansichten von Wachsstrukturen des Wachsmodells gemäß Fig. 2;
Fig. 3: eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Bauteils, das im
Feingussverfahren hergestellt wurde; Fig. 4: eine Seitenansicht des Bauteils gemäß Fig. 3 mit einer keramischen
Beschichtung; Fig. 5: eine Seitenansicht des Bauteils gemäß Fig. 4 mit einer
Segmentierungsrissbildung;
Fig. 6 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Bauteils mit einer kunststoffhaltigen Beschichtung zu einem ersten Zeitpunkt;
Fig. 7 eine Seitenansicht der Ausführungsform des Bauteils gemäß Fig. 6 zu einem späteren Zeitpunkt: Fig. 8A, B Detailansichten von Ausführungsformen von Wachsstrukturen vor einer thermisch / mechanischen Behandlung;
Fig. 9A, B Detailansichten von Ausführungsformen von Wachsstrukturen nach einer thermisch / mechanischen Behandlung;
Fig. 10A-D Detaildraufsichten auf Bauteile mit Bauteilstrukturelementen;
Fig. 1 1 eine perspektivische Darstellung eines Flugzeugtriebwerkes mit
Einsatzstellen für Bauteile.
In Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Wachsmodells 20 dargestellt. Der Begriff Wachsmodell bezeichnet hier ein Gussmodell im Feingussverfahren. Es können auch andere Materialen für das Gussmodell eingesetzt werden. Auf der Oberseite des Wachsmodells 20 sind Wachsstrukturen 21 angeordnet. Die Wachsstrukturen 21 werden nach einem Feingussvorgang letztlich zu Bauteilstrukturelementen 1 1 (siehe z.B. Fig. 3) auf einem Bauteil 10.
In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Wachsstrukturen 21 im Wesentlichen linear und parallel zueinander angeordnet. Der Abstand A zwischen den Bauteilstrukturelementen 1 1 kann 0,2 bis 4 mm betragen. Die Höhe H der Bauteilstrukturelemente 1 1 kann zwischen 0,2 und 2 mm betragen.
Grundsätzlich sind aber auch andere Formen für die Wachsstrukturen 21 möglich, wie in Fig. 1 A dargestellt. In Fig. 1 A ist ein Teil einer Wachsstruktur 21 mit einer winkligen Struktur dargestellt, in Fig. 1 B sind stabförmige Wachsstrukturen 21 mit einem runden Querschnitt dargestellt. Das Wachsmodell 20 ist für den Einsatz in einem Feingussverfahren bestimmt. Die Wachsmodelle 20 werden dabei typischerweise aus SpezialWachsen, Thermoplasten oder deren Gemischen gebildet und z.B. im Spritzgießverfahren hergestellt. Die Wachsmodelle 20 weisen einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt auf, so dass sie sich im Rahmen des Feingussverfahrens aus einer hier nicht dargestellten Gießform herausschmelzen lassen. Dieses Gussverfahren der verlorenen Form erlaubt die Herstellung sehr feiner Bauteilstrukturelemente 1 1 bei sehr geringen Toleranzen. Auch ist die Oberflächengüte der mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile 10 sehr gut, so dass in der Regel keine Nachbearbeitung mehr erforderlich ist.
Damit sind Bauteile 10 herstellbar, die feine Bauteilstrukturelemente 1 1 , wie z.B. eng nebeneinander liegende lineare Bauteilstrukturen 1 1 und / oder stabförmige Bauteilstrukturelemente 1 1 aufweisen.
Um die später noch aufzubringende keramische Beschichtung 2 (siehe Fig. 4), eine kunststoffhaltige Beschichtung 6, 7 (siehe Fig. 7) und / oder ein Kunststoff-Bauelement gut anhaften zu lassen, werden in einem nächsten Verfahrensschritt die Spitzen 23 der Wachsstrukturen 21 durch eine thermische und / oder mechanische Behandlung T (in Fig. 1 durch Pfeile symbolisiert) mit einer Kontaktplatte 5 plastisch verformt. Dadurch entsteht eine verbreiterte Spitze 23, die z.B. abgerundet oder pilzförmig ausgebildet sein kann. Unterhalb der verbreiterten Spitze 23 liegt eine Hinterschneidung 22, die - wie im Folgenden noch beschrieben wird - für die Verbindung zur Beschichtung 2 (keramisch und / oder kunststoffhaltig) (siehe Fig. 4, 7) und / oder des Kunststoff-Bauelementes von Bedeutung ist. Die Kontaktplatte 5 kann dabei nicht nur flach ausgebildet sein, sondern auch eine an das Wachsmodell 20 angepasste Konturierung aufweisen. Durch eine gezielte Aufbringung einer Druckkraft kann die Verformung der Spitzen 23 unterstützt werden. Wird z.B. die Spitze 23 der Wachsstruktur 21 Laserstrahlung, einer Flamme und / oder einer erhitzen Kontaktplatte 5 (siehe Fig. 8A, B) ausgesetzt, so schmilzt der Kunststoff des Wachsmodells 20 an der Spitze 23 auf. Wenn diese thermische Behandlung nicht zu lange erfolgt, schmilzt nur die Spitze 23 auf, wobei die Schmelze auf Grund von Oberflächeneffekten eine kugelige Ausbildung annimmt. Nach Beendigung der thermischen Behandlung erstarrt der Kunststoff an der Spitze 23 zu einer Art Perle oder Pilz, die breiter ist oder einen größeren Durchmesser aufweist als die nicht aufgeschmolzene Wachsstruktur 21 unterhalb des verformten Bereiches. Auf diese Weise bildet sich unterhalb des aufgeschmolzenen Bereiches eine Hinterschneidung 22 an den Wachsstrukturen 21 .
In Fig. 2A ist die winklige Wachsstruktur 21 aus Fig. 1 A und in Fig. 2B sind die stabförmigen Wachsstrukturen 21 aus Fig. 1 B jeweils mit Hinterschneidungen 22 nach der thermischen / mechanischen Umformung T im Detail dargestellt. Dabei ist die kugelige oder pilzförmige Ausbildung der Spitzen 23 erkennbar.
In Fig. 2 wird somit ein Wachsmodell 20 beschrieben, das in einem an sich bekannten Feingussverfahren verwendet wird. Typisch für Feingussverfahren ist insbesondere das verlorene Wachsmodell 20, d.h. nach dem Herstellen einer Gussform geht das Wachsmodell 20 durch Ausschmelzen aus der Gussform verloren.
In die hier nicht dargestellte Gussform wird dann ein metallischer Werkstoff gegossen, wobei am Ende das vorläufige Bauteil 10' entsteht, das schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Auf dem vorläufigen Bauteil 10' wurden durch das Feingussverfahren dreidimensionale Bauteilstrukturelemente 1 1 geschaffen. Die Bauteilstrukturelemente 1 1 weisen an den jeweiligen Spitzen Verrundungen oder Verdickungen auf, so dass unterhalb Hinterschneidungen 12 entstanden sind.
Wenn nun (siehe Fig. 4) auf dieses vorläufige Bauteil 10' eine keramische Beschichtung 2 aufgebracht wird, liegt das Bauteil 10 vor, das geeignet und ausgebildet ist, in einer Turbomaschine besonderen thermischen Belastungen ausgesetzt zu werden. Die keramische Beschichtung 2 wird insbesondere durch den Formschluss, der sich durch die Hinterschneidungen 12 ergibt, festgehalten. Die keramische Beschichtung 2 kann dabei z.B. durch Plasmaspritzen, insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen, aufgebracht werden.
Um die Lebensdauer der Bauteile 10 positiv zu beeinflussen ist es sinnvoll, dass in der keramischen Beschichtung 2 gezielt Segmentierungsrisse 3 erzeugt werden. Die Segmentierungsrisse 3 verhindern, dass sich in der keramischen Beschichtung 2 größere mechanische Spannungen aufbauen. Im Ergebnis wird die keramische Beschichtung 2 in eine Vielzahl von einzelnen Keramikteilen unterteilt, die aber alle sicher auf dem Bauteil 1 1 gehalten werden.
Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, gehen die Segmentierungsrisse 3 von den Spitzen der Bauteilstrukturelemente 1 1 aus und erstrecken sich zur Oberseite des Bauteils 10. Die Segmentierungsrisse tragen zusammen mit der Ausgestaltung des Bauteils 10 gezielt zur Stabilisierung der keramischen Beschichtung 2 insgesamt bei. Typischerweise entstehen Segmentierungsrisse 3, wenn die sehr heiß abgeschiedene keramische Masse sich abkühlt oder in späteren Betriebszuständen, die von hohen thermischen Gradienten oder Transienten geprägt sind. Die dabei auftretenden Zugspannungen führen zu den Segmentierungsrissen 3.
Wenn die Bauteilstrukturelemente 1 1 mit einer gewissen Regelmäßigkeit auf dem Bauteil 10 angeordnet sind, werden sich auch die Segmentierungsrisse 3 - und damit die Keramikelemente der keramischen Beschichtung 2 - mit einer gewissen Regelmäßigkeit nach Form und Größe ausbilden. Typischerweise können Rissdichten zwischen 5 und 30 Rissen / mm erreicht werden.
In den Fig. 6 und 7 ist analog zu den Fig. 3 und 4 das Aufbringen einer kunststoffhaltigen Beschichtung 6, 7 dargestellt. Eine solche Beschichtung kann alternativ zu einer keramischen Beschichtung 2 oder zusätzlich z.B. an einer anderen Stelle des Bauteils 10 vorgenommen werden. Zur Herstellung wird auf das Bauteil 10, hier die Spitzen der Bauteilstrukturelement 1 1 ein Material 6 aufgelegt (siehe Fig. 6), das für einen aushärtbaren Kunststoff, wie z.B. das Kunstharz RTM 6, permeabel ist. Beispiele für solche permeablen Materialen sind Faservliese, eine Fasermatten, textiles Materialien, eine Verbundfasermatte und / oder eine Kohlefasermatte. Die Fasern können z.B. auch aus Glas, Keramik, Aramid oder Metallen bestehen. Die trockenen Fasern können dabei auch mindestens teilweise zwischen die Bauteilstrukturelemente 1 1 gedrückt werden. Die Fig. 6 ist in dieser Hinsicht nur schematisch zu verstehen.
Anschließend wird ein aushärtbarer Kunststoff 7 durch das permeable Material 7 gegossen, wobei das permeable Material 6 als Matrix von dem Kunststoff durchtränkt bleibt und das er Kunststoff hinter den Hinterschneidungen 12 aushärtet. Im Ergebnis entsteht eine Faserverbundschicht 6, 7, die durch die Hinterschneidungen 12 sicher mit dem Bauteil 10 verbunden ist.
In Fig. 6 und 7 wird beschrieben, wie eine kunststoffhaltige Beschichtung vorgenommen wird, d.h. wie das Aufbringen einer kunststoffhaltigen Materialschicht erfolgt. Diese Materialschicht 6 muss nicht zwingend die Form einer Matte oder eines ähnlichen Flachmaterials haben. Grundsätzlich kann das Kunststoffteil 6 auch ein eigenes Kunststoff-Bauelement sein, das eine komplexe Form aufweist und u.U. bereits an die Form des Bauteils 10 angepasst ist. In Fig. 8A und 8B sind im Querschnitt zwei Wachsstrukturen 21 dargestellt, die nach der beschriebenen Durchführung des Feingussverfahrens zu Bauteilstrukturelementen 1 1 gleicher Form führen. Die Spitze 23 der Wachsstrukturen 21 ist in den Fig. 8A und 8B noch unverformt dargestellt. Die Wachsstruktur 21 gemäß Fig. 8A weist eine schmale Spitze 23 und eine breitere Basis auf. Die Wachsstruktur 21 gemäß Fig. 8B weist eine gleichmäßige Breite auf, wobei die Wachsstruktur 21 relativ schlank ausgebildet ist. Grundsätzlich können die Wachsstrukturen 21 z.B. lineare Strukturen sein oder auch eher stabförmige. In diesem Fall stünde die Wachsstruktur 21 gemäß Fig. 8A für eine kegelstumpfförmige Struktur, die Wachsstruktur 21 gemäß Fig. 8B für eine stabförmige Struktur.
In Fig. 8A und (B ist schematisch angedeutet, dass eine thermische Verformung T, z.B. durch eine heiße Kontaktplatte, durchgeführt werden kann. Die heiße Kontaktplatte wird dabei auf die Spitze 23 der Wachsstruktur 21 gedrückt, so dass sich die Spitze 23 unter der Hitzeeinwirkung und des mechanischen Drucks verformt.
Das Ergebnis der thermischen Behandlung ist in den Fig. 9A und 9B dargestellt, wobei die Fig. 9A der Fig. 8A und die Fig. 9B der Fig. 8B zugeordnet ist. Die Entstehung der Hinterschneidung 23 unterhalb der verformten Spitze 23 ist erkennbar.
In den bisher dargestellten Beispielen sind alle Wachsstrukturen 21 (und damit auch die Bauteilstrukturelemente 1 1 eines Bauteils 10) im Wesentlichen in gleicher Weise verformt worden. Dies muss nicht zwingend der Fall sein. In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Verformung der Spitze 23 in unterschiedlichen Bereichen der Gussform 20 unterschiedlich ausgebildet sein, so dass unterschiedliche Hinterscheidungen 22 entstehen.
Auch weisen die Wachsstrukturen 21 (und damit auch die Bauteilstrukturelemente 1 1 des Bauteils 10) untereinander im Wesentlichen die gleiche Form auf. Dies muss nicht zwingend der Fall sein. In vorteilhaften Ausgestaltungen könnten lineare und stabförmige Wachsstrukturen 21 miteinander in einem Wachsmodell 20 kombiniert werden. Auch können die Maße der Wachsstrukturen 21 und die Dichte der Wachsstrukturen 21 auf dem Wachsmodell 20 unterschiedlich sein.
Auf diese Weise können Bauteile 10 mit sehr unterschiedlichen Bauteilstrukturelementen 1 1 effizient hergestellt werden. Die Form und Anordnung der Bauteilstrukturelemente 1 1 kann dabei den jeweiligen Einsatzzwecken angepasst werden.
In Fig. 10A bis 10D sind verschiedene Ausführungsformen für die Anordnung von Bauteilstrukturelementen 1 1 auf einem Bauteil 10 schematisch in Draufsichten dargestellt.
In Fig. 10A ist eine regelmäßige Anordnung von stabförmigen Bausteilstrukturen 1 1 dargestellt. Die einzelnen stabförmigen Bauteilstrukturelemente 1 1 sind dabei linear in Reihen und Zeilen angeordnet. Es liegt somit eine regelmäßige Anordnung von Bauteilstrukturelementen 1 1 vor.
In Fig. 10B liegen ebenfalls stabförmige Bauteilstrukturelemente 1 1 vor, wobei diese in einem zufälligen Muster angeordnet sind.
Fig. 10C zeigt eine Ausführungsform eines Bauteils 10, auf dem lineare Bauteilstrukturelemente 1 1 in Form eines regelmäßigen Gitternetzwerkes angeordnet sind. Fig. 10D hingegen zeigt eine Ausführungsform eines Bauteils 10, bei dem die Bauteilstrukturelemente 1 1 eine Wabenform aufweisen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass unterschiedliche Bereiche eines Bauteils 10 auch unterschiedliche Bauteilstrukturelemente 1 1 aufweisen. In einem Teil können z.B. lineare Bauteilstrukturelemente 1 1 , die relativ weit voneinander beabstandet sind, vorliegen, in einem anderen Teil des Bauteils werden stabförmige Bauteilstrukturelemente 1 1 sehr eng nebeneinander angeordnet. Die Art der Strukturierung kann so der thermischen und mechanischen, sowie physikalischen Belastung des Bauteils 10 angepasst werden. In Fig. 1 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Flugzeugtriebwerk 100 als Beispiel für eine Turbomaschine dargestellt. Die Bauteile 10, deren Herstellung und Eigenschaften zuvor beschrieben wurden, können insbesondere in Bereichen einer solchen Turbomaschine eingesetzt werden, in denen eine hohe Temperaturbelastung vorliegt. Eine keramische Beschichtung 2 dient als Wärmedämmschicht. Eine alternativ oder zusätzlich aufgebrachte Faserverbundwerkstoffschicht 6, 7 kann dem Schutz darunterliegender Schichten dienen. So ist es beispielsweise sinnvoll, die Bauteile 10 im Bereich der Brennkammer 101 oder im Einlaufbereich 102 der Turbine anzuordnen, da hier besonders hohe Temperaturen (z.B. zwischen 1 .100 und 2.000 K) vorliegen. Zusätzlich oder alternativ können die Bauteile 10 auch als Liner in Wandungen der Turbine eingesetzt werden, da hier hohe mechanische und thermische, sowie physikalische Belastungen vorliegen. Auch ist es möglich, Baugruppen des Flugzeugtriebwerkes 100 im Feingussverfahren selbst so herzustellen, dass sie die Eigenschaften des Bauteils 10 haben. Ein Flugzeugtriebwerk 100 ist nur ein Beispiel für die Verwendung eines Bauteils 10 der hier beschriebenen Art. Die Bauteile 10 sind auch in stationären Gas- oder Dampfturbinen einsetzbar.
Bezugszeichenliste
Struktur auf einem Bauelement
2 keramische Beschichtung
3 Segmentierungsrissbildung
5 Kontaktplatte
6 Permeables Material, z.B. Fasermatte, Matrixmaterial für
Faserverbu ndwerkstof f sch icht
7 Aushärtbarer Kunststoff
10 Bauteil
10' Bauteil vor keramischer Beschichtung
1 1 Bauteilstrukturelemente
12 Hinterschneidung an Struktur auf Bauteil
20 Wachsmodell
21 Wachsstruktur
22 Hinterschneidung an Struktur des Wachsmodells
23 Spitze der Wachsstruktur
100 Turbomaschine, Flugzeugtriebwerk
101 Brennkammer
102 Einlaufbereich Turbine
A Abstand zwischen zwei Bauteilstrukturelementen
H Höhe Bauteilstrukturelement
T thermische Behandlung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils (10) besonders eingerichtet und ausgebildet für eine Turbomaschine (100), wobei
a) für ein Feingussverfahren ein Wachsmodell (20) mit einer Wachsstruktur (21) hergestellt wird, anschließend
b) die Spitze (23) der Wachsstruktur (21) thermisch und / oder mechanisch behandelt wird, so dass sich an der Wachsstruktur (21) ein Bereich mit einer Hinterschneidung (22) bildet, anschließend
c) im Feingussverfahren aus dem Wachsmodell (20) das metallische Bauteil
(10) hergestellt wird, wobei auf einer Oberfläche des Bauteils (10) ein Bauteilstrukturelement (11) mit Hinterschneidung (12) entsteht,
d) das Bauteilstrukturelement (11) mindestens teilweise mit einer keramischen Beschichtung (2), einer kunststoffhaltigen Beschichtung (6, 7), insbesondere einer Faserverbundschicht und / oder einem Kunststoff-Bauelement versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der keramischen Beschichtung (2) eine kontrollierte Segmentierungsrissbildung (3) ausgehend von dem Bauteilstrukturelement
(11) in der keramischen Beschichtung (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufbringen der kunststoffhaltigen Beschichtung (6, 7) oder Faserverbundschicht zunächst ein für einen aushärtbaren Kunststoff permeables Material (6) auf das metallische Bauteil (10) aufgebracht wird und anschließend der aushärtbare Kunststoff (7) durch das permeable Material (6) gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das permeable Material (6) ein Faservlies, eine Fasermatte, ein textiles Material, eine Verbundfasermatte und / oder eine Kohlefasermatte aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung (T) der Spitze der Wachsstruktur (21) mittels eines Lasers, einer IR- Strahlungsquelle, einer Flamme und / oder einer Kontakterhitzung vorgenommen wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der
Wachsstruktur (21) des Wachsmodells (20) gleichförmig oder lokal unterschiedlich erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachsstruktur (21) im
Wesentlichen stabförmige Strukturen, lineare Strukturen, Gitterstrukturen und / oder Honigwabenstrukturen aufweist.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der thermischen
Behandlung (T) der Spitze (23) der Wachsstruktur (21) die Spitze (23) abgerundet oder pilzförmig ausgebildet ist, wobei die Hinterschneidung (22) unterhalb der abgerundeten oder pilzförmigen Spitze (23) angeordnet ist. 9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstrukturelemente (11 ) im Mittel eine Höhe (H) zwischen 0,2 und 2 mm aufweisen.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei
Bauteilstrukturelementen (11) im Mittel ein Abstand (A) zwischen 0.2 und 4 mm liegt.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der keramischen Beschichtung (2) und / oder der kunststoffhaltigen Beschichtung (6, 7) eine Zwischenschicht, insbesondere eine Haftvermittlerschicht, eine Korrosionsschutzschicht und / oder eine Oxidationsschutzschicht aufbracht wird.
12. Bauteil herstellbar mit mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Turbomaschine, insbesondere eine Dampf- oder Gasturbine, oder ein Flugzeugtriebwerk mit mindestens einem Bauteil (10) nach Anspruch 10.
14. Turbomaschine mit mindestens einem Bauteil (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) als Liner in oder an einer Wandung, als Turbinenschaufel, Verdichterschaufel und / oder als Wärmeschutzelement eingesetzt ist.
EP12715340.1A 2011-04-01 2012-04-02 Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil Withdrawn EP2694780A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011006659A DE102011006659A1 (de) 2011-04-01 2011-04-01 Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, Bauteil und Turbomaschine mit Bauteil
PCT/EP2012/055987 WO2012131100A1 (de) 2011-04-01 2012-04-02 Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2694780A1 true EP2694780A1 (de) 2014-02-12

Family

ID=45976908

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP12715340.1A Withdrawn EP2694780A1 (de) 2011-04-01 2012-04-02 Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9908173B2 (de)
EP (1) EP2694780A1 (de)
DE (1) DE102011006659A1 (de)
WO (1) WO2012131100A1 (de)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011085801A1 (de) * 2011-11-04 2013-05-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Bauelement und Turbomaschine mit einem Bauelement
EP2857637A1 (de) * 2013-10-01 2015-04-08 Siemens Aktiengesellschaft Turbinenschaufel und zugehöriges Herstellungsverfahren
US9151175B2 (en) 2014-02-25 2015-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Turbine abradable layer with progressive wear zone multi level ridge arrays
RU2016134446A (ru) 2014-02-25 2018-03-29 Сименс Акциенгезелльшафт Термобарьерное покрытие компонента турбины с изменяющимися по глубине свойствами материала
US8939706B1 (en) 2014-02-25 2015-01-27 Siemens Energy, Inc. Turbine abradable layer with progressive wear zone having a frangible or pixelated nib surface
US9243511B2 (en) 2014-02-25 2016-01-26 Siemens Aktiengesellschaft Turbine abradable layer with zig zag groove pattern
EP3259452A2 (de) 2015-02-18 2017-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Formung von kühlpassagen in verbrennungsturbine-superlegierungsgussteilen
US10190435B2 (en) 2015-02-18 2019-01-29 Siemens Aktiengesellschaft Turbine shroud with abradable layer having ridges with holes
US9884393B2 (en) 2015-10-20 2018-02-06 General Electric Company Repair methods utilizing additively manufacturing for rotor blades and components
US10180072B2 (en) * 2015-10-20 2019-01-15 General Electric Company Additively manufactured bladed disk
US10184344B2 (en) 2015-10-20 2019-01-22 General Electric Company Additively manufactured connection for a turbine nozzle
US9914172B2 (en) 2015-10-20 2018-03-13 General Electric Company Interlocking material transition zone with integrated film cooling
US10370975B2 (en) 2015-10-20 2019-08-06 General Electric Company Additively manufactured rotor blades and components
US10731482B2 (en) * 2015-12-04 2020-08-04 Raytheon Technologies Corporation Enhanced adhesion thermal barrier coating
DE102019201085A1 (de) * 2019-01-29 2020-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Herstellungsverfahren für ein Bauteil mit integrierten Kanälen
US11149581B2 (en) * 2019-11-22 2021-10-19 Rolls-Royce Plc Turbine engine component with overstress indicator
CN114570879B (zh) * 2022-03-09 2024-06-21 上海大学 一种单晶高温合金叶片用陶瓷型壳及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2292709A2 (de) * 2009-09-08 2011-03-09 Honeywell International Inc. Klebeverbindungen und Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Verbindung

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3996991A (en) * 1973-11-13 1976-12-14 Kubota, Ltd. Investment casting method
US5630314A (en) * 1992-09-10 1997-05-20 Hitachi, Ltd. Thermal stress relaxation type ceramic coated heat-resistant element
DE19543510A1 (de) * 1995-11-22 1997-05-28 Pistol & Partner Gmbh Prof Verfahren zur Herstellung von Modellen für das Feingießen
GB9601910D0 (en) * 1996-01-31 1996-04-03 Rolls Royce Plc A method of investment casting and a method of making an investment casting mould
US6074706A (en) * 1998-12-15 2000-06-13 General Electric Company Adhesion of a ceramic layer deposited on an article by casting features in the article surface
DE10117127B4 (de) 2001-04-06 2009-12-31 Alstom Technology Ltd. Verbundaufbau zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien
DE10124398A1 (de) 2001-05-18 2002-11-21 Rolls Royce Deutschland Verfahren zur Aufbringung einer keramischen Schicht auf einen metallischen Grundkörper sowie Wärmedämmungsschichtsystem mit einer keramischen Schicht auf einem metallischen Grundkörper
DE10307610A1 (de) 2003-02-22 2004-09-02 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Verdichterschaufel für ein Flugzeugtriebwerk
DE10346953A1 (de) * 2003-10-09 2005-05-04 Mtu Aero Engines Gmbh Werkzeug zum Herstellen von Gussbauteilen, Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs und Verfahren zum Herstellen von Gussbauteilen
DE102005050873B4 (de) 2005-10-21 2020-08-06 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Verfahren zur Herstellung einer segmentierten Beschichtung und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil
DE102006004769B4 (de) * 2006-02-02 2022-05-25 Mercedes-Benz Group AG Oberflächenkonditionierung für thermische Spritzschichten
DE102007054614A1 (de) * 2007-11-15 2009-05-20 Clariant International Ltd. Metallocene-katalysierte Polyolefine enthaltende Wachs- und Polymerformulierungen mit und ohne Füllstoff, welche sich besonders für spanabhebende Modellerzeugungsverfahren eignen sowie deren Verwendung für Genauguss-Prozesse, Hohlkernerzeugung speziell im Dental-, Schmuck- und Feinwerktechnikbereich

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2292709A2 (de) * 2009-09-08 2011-03-09 Honeywell International Inc. Klebeverbindungen und Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Verbindung

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012131100A1 (de) 2012-10-04
US20140127005A1 (en) 2014-05-08
DE102011006659A1 (de) 2012-10-04
US9908173B2 (en) 2018-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2694780A1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauteils, bauteil und turbomaschine mit bauteil
EP1155760B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines thermisch belasteten Gussteils
DE3318832A1 (de) Verfahren zur herstellung eines verbundgegenstands aus einer glasmatrix mit faserverstaerkung
EP2732072B1 (de) Verfahren zum reparieren einer schadstelle in einem gussteil und verfahren zum erzeugen eines geeigneten reparaturmaterials
AT511880B1 (de) Verschleissoptimierte herstellung von konischen spritzlöchern
WO2011044876A1 (de) Verfahren zur herstellung einer lauf- oder statorschaufel und eine derartige schaufel
DE102005050873B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer segmentierten Beschichtung und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil
WO2008067962A2 (de) Reparatur und/oder konturänderung einer formoberfläche eines formwerkzeugs
DE102009017776A1 (de) Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffes mit einem metallischen Bauteil
EP1748253B1 (de) Brennkammer und Verfahren zur Herstellung einer Brennkammer
DE102009037893A1 (de) Herstellung von Hohlkörpern oder Schichten mit Hohlräumen
DE69108279T2 (de) Verfahren zur Verfestigung von Vorformen zur Herstellung von hitzebeständigen Verbundwerkstoffteilen, insbesondere von Teilen in Form von Segeln oder Platten.
DE10235492A1 (de) Verfahren zum Brennen eines keramischen Kerns
DE69000515T2 (de) Aluminiumkolben fuer brennkraftmaschinen.
EP1135226B1 (de) Verbundgussteil und verfahren zu seiner herstellung
EP0836931A2 (de) Schichtkörper und Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers
EP2714963B1 (de) Kaltgasspritzverfahren mit verbesserter haftung und verringerter schichtporosität
DE102010050079A1 (de) Partiell fixiertes textiles Halbzeug
DE3427722C2 (de)
EP3983225B1 (de) Verfahren zur vorbereitung eines pulverbett-basierten additiven herstellungsprozesses und entsprechendes computerprogrammprodukt
WO2022199990A1 (de) Additiv hergestellte fluid-permeable materialstruktur
DE69021614T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen mit Flammplatten für Brennkraftmaschinen.
DE10139869B4 (de) Vorrichtung zum Preßformen eines Postens aus schmelzflüssigem Material
WO1998050186A1 (de) Verfahren zur herstellung von porösen formkörpern
DE102013202483A1 (de) Verfahren und Maschine zur Herstellung einer Oberflächenbeschichtung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20131031

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20170908

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: B32B 3/30 20060101ALI20190816BHEP

Ipc: F01D 5/28 20060101AFI20190816BHEP

Ipc: B32B 7/12 20060101ALI20190816BHEP

Ipc: C23C 4/02 20060101ALI20190816BHEP

Ipc: B32B 3/06 20060101ALI20190816BHEP

Ipc: B22C 7/02 20060101ALI20190816BHEP

Ipc: B22C 9/04 20060101ALI20190816BHEP

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20191002

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20200213