WO2007080060A1 - Verfahren zur herstellung eines lochs - Google Patents

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WO2007080060A1
WO2007080060A1 PCT/EP2006/070280 EP2006070280W WO2007080060A1 WO 2007080060 A1 WO2007080060 A1 WO 2007080060A1 EP 2006070280 W EP2006070280 W EP 2006070280W WO 2007080060 A1 WO2007080060 A1 WO 2007080060A1
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WO
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hole
diffuser
laser
final contour
lower region
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PCT/EP2006/070280
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French (fr)
Inventor
Silke Settegast
Thomas Beck
Nigel-Philip Cox
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to AT06841655T priority patent/ATE461778T1/de
Priority to EP06841655A priority patent/EP1973688B1/de
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Priority to US14/062,205 priority patent/US8704128B2/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/08—Removing material, e.g. by cutting, by hole drilling
    • B23K15/085—Boring
    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49339—Hollow blade
    • Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hole according to claim 1.
  • Such turbine components often also include layers, such as e.g. a metallic layer or intermediate layer and / or a ceramic outer layer.
  • the film coolers must then be created through the layers and substrate (casting).
  • US Pat. No. 6,172,331 and US Pat. No. 6,054,673 disclose a laser drilling method for inserting holes in layer systems using ultrashort laser pulse lengths. It is selected from a specific laser pulse length range a laser pulse length and thus generates the hole.
  • DE 100 63 309 A1 discloses a method for producing a Kuhl Kunststoffo réelle by means of a laser, in which the laser parameters are adjusted so that material is removed by sublimation.
  • U.S. Patent No. 5,939,010 discloses two alternative methods of producing a plurality of holes.
  • a hole is first completely created before the next hole is made.
  • the punches are generated stepwise by first producing a first portion of a first hole, then a first portion of a second hole, etc. (FIG. 10 of the US patent).
  • different pulse lengths are used, but always the same pulse widths within a procedure.
  • the two methods can not be linked.
  • the cross-sectional area of the area to be removed always corresponds to the cross section of the hole to be produced.
  • U.S. Patent No. 5,073,687 discloses the use of a laser to make a hole in a device formed from a substrate having a copper layer on both sides.
  • a hole is first generated by a copper film by means of a longer pulse duration and then by means of shorter pulses a hole in the substrate consisting of a resin, wherein subsequently a hole is produced by a copper layer on the back side with a higher output power of the laser.
  • the cross-sectional area of the removed area corresponds to the cross section of the hole to be produced.
  • US Pat. No. 6,479,788 B1 discloses a method for producing a hole in which longer pulse lengths are used in a first step than in a further step.
  • the pulse duration is varied here in order to produce the best possible rectangular shape in the hole.
  • the cross-sectional area of the beam is increased with decreasing pulse length.
  • FIG. 1 shows a hole in a substrate
  • FIG. 2 shows a hole in a layer system
  • FIG. 3 shows a plan view of a through hole to be produced
  • Figure 4 - 9 Abtragungs Kunststoffe inventive method
  • Figure 10 shows an apparatus to perform the process
  • Figure 11 is a gas turbine
  • Figure 12 is a perspective view of a turbine blade
  • Figure 13 is a perspective view of a combustion chamber.
  • the component 1 shows a component 1 with a hole 7.
  • the component 1 consists of a substrate 4 (for example, a casting or DS or SX component).
  • the substrate 4 may be metallic and / or ceramic.
  • the substrate consists 4 made of a nickel-, cobalt- or iron-based superalloy.
  • the substrate 4 is made of, for example, titanium or a titanium-based alloy.
  • the substrate 4 has a hole 7, which is, for example, a through hole. But it can also be a blind hole.
  • the hole 7 consists of a lower portion 10 which extends from an inner side of the component 1 and which is formed, for example, symmetrically (for example circular, oval or rechteckformig), and an upper portion 13, optionally as a diffuser 13 on an outer surface 14 of the Substrate 4 is formed.
  • the diffuser 13 represents a broadening of the cross section with respect to the lower portion 10 of the hole 7.
  • the hole 7 is preferably a film cooling hole.
  • the inner surface 12 of the diffuser 13, that is to say in the upper region of the hole 7, should be smooth, because unevennesses produce undesired turbulences and deflections, in order to allow an optimal outflow of a medium, in particular of a cooling medium out of the hole 7.
  • Figure 2 shows a component 1, which is designed as a layer system.
  • At least one layer 16 is present on the substrate 4.
  • This may be, for example, a metallic alloy of the type MCrAlX, where M is at least one element of the group
  • the layer 16 may also be ceramic.
  • a further layer may be present, for example a ceramic layer, in particular a heat-insulating layer.
  • the heat-insulating layer is, for example, a completely or partially stabilized zirconium oxide layer, in particular an EB-PVD layer or plasma-sprayed (APS, LPPS, VPS), HVOF or CGS (cold gas spraying) layer.
  • FIG. 3 shows a plan view of a hole 7 according to FIG. 1 or 2.
  • the hole 7 can also extend at an acute angle to the surface 14 of the component 1.
  • FIG. 4 shows the hole 7 in its desired end contour of the diffuser 13 and the lower region 10, wherein the regions 10 ', 13' which correspond to the near-net shape are indicated by dashed lines.
  • Endkonturah means in this context that starting from a surface of the final contour of the lower portion 10 and the diffuser 13 is still a certain layer thickness, for example a few microns thick, still exists.
  • the hole 7 is curved behind the near-net shape with respect to the final contour, wherein the layer thickness is formed is that it is ensured with the processing method to near-net shape that the hole 7 is not widened over its final contour.
  • Final contour proximity also means that further processing must be carried out.
  • FIG. 5 shows an inventive time sequence of the regions of the hole 7 to be produced.
  • a partial region 13 ' is produced in a near net shape of the diffuser 13.
  • longer pulse durations in particular large 500ns can be used.
  • the laser 19 '(FIG. 2) is not moved in the XY plane.
  • step b the near net shape 10 'of the lower region 10 is produced.
  • Puldauern large 500ns are used, advantageously the laser beam or the electron beam is not moved and the so-called laser impact drilling is applied here.
  • the largest part of the hole to be produced 7 can be made very quickly.
  • step c the final contour of the diffuser 13 is produced.
  • shorter pulse times are preferably used, which are in particular less than 500ns, in particular 300ns.
  • the laser 19, 19 ' is preferably moved in the XY plane.
  • the final contour of the lower region 10 is produced.
  • the laser impact drilling with longer pulse lengths in particular> 500 ns can be used or shorter pulse lengths ⁇ 500 ns are also used, in which case the laser beam or the electron beam is again moved in the XY plane.
  • steps c) and d) can also be reversed (FIG. 6).
  • the near-net shape 13 'of the diffuser 13 may also correspond to the geometry of the lower region 10' in its near-net shape, since the diffuser 13 always represents a widening of the cross section of the lower region.
  • the lower region is a hole with a constant diameter
  • a hole with a slightly smaller diameter is produced for the near-net shape 10 'of the lower region, this diameter then also representing the endconverted shape 13' of the diffuser 13 ( Fig. 7).
  • longer pulse lengths are used, in particular large 500ns, which corresponds to the so-called laser impact drilling.
  • the end contour of the diffuser 13 is produced and then the end contour of the lower region 10 or in a second alternative, first the final contour of the lower region 10 and then the end contour 13 of the diffuser is produced (FIG. 7).
  • FIG. 8 shows further exemplary embodiments of the invention.
  • the near net shape 13 'of the diffuser 13 is produced, in particular with longer pulse lengths.
  • the final contour of the diffuser 13 is produced, in particular with longer pulse lengths.
  • Diffuser 13 produced (step b). This is done by using shorter pulse widths, wherein the lasers or electron beams are traversed, in particular in the plane of the surface in which the diffuser is arranged.
  • the lower region 10 is produced with longer pulse lengths in its final contour.
  • a final contour of the lower region 10 can first be produced in method step c), this taking place with longer pulse lengths.
  • the final contour of the lower region 10 is then generated, this taking place in particular with shorter pulse lengths.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • a first step a the final contour of the diffuser 13 is produced, wherein in particular the shorter pulse widths are used.
  • step b) the near net shape 10 'of the lower region 10 is produced. This is done with longer pulse lengths.
  • the final contour of the lower region 10 is produced, in particular with shorter wavelengths.
  • the cross-sectional area which is removed by the laser beam or electron beam does not correspond to the diameter of the lower region.
  • the beam of the laser or of the electrons is widened so that a cross section is removed which corresponds to the final contour of the lower region 10.
  • pulse lengths are used for the production of a near-net shape of the diffuser or the lower region, or the jet is adjusted so that it does not yield the final contour.
  • shorter pulse widths are then used for the production of the final contour or the beam is used in the long run. Pulse lengths are adjusted so that the desired contour results.
  • the output power of the laser 19 ', 19 " is constant, for example. With the longer pulse lengths an output power of the
  • an output power of the laser 19 ', 19 "of less than 300 watts is used.
  • a laser 19 ', 19 "having a wavelength of 532 nm is used only to produce shorter laser pulses.
  • a laser pulse duration of 0.4 ms and an energy (Joule) of the laser pulse from 6 J to 10 J, in particular 8 J are used, with a power (kilowatt) of 10 kW to 5O kW, in particular 2O kW being preferred.
  • the shorter laser pulses have an energy in the single-digit or two-digit millijoule range (mJ), preferably in the single-digit millijoule range, the used
  • Performance is mostly in the single-digit kilowatt range.
  • a laser or two or more lasers 19 ', 19 “(FIG. 10) can be used, which are used simultaneously or successively.
  • the similar or different lasers 19 ', 19 have, for example, different areas with regard to their laser pulse lengths.
  • a first laser 19 'laser pulse lengths less than 500ns In particular, generate smaller 100ns and generate a second laser 19 '' laser pulse lengths of large 100ns, especially large 500ns.
  • the first laser 19 ' is first inserted.
  • the second laser 19 is then used or vice versa.
  • a laser which, for example, has a wavelength of 1064 nm and which can generate both the longer and the shorter laser pulses.
  • the 10 shows an exemplary device 40.
  • the devices 40 consist of at least one optic 35, 35 ', in particular at least one lens 35, which directs at least one laser beam 22, 22', 22 '' onto the substrate 4, around the hole 7 to create.
  • the mirrors 31, 33 are displaceable or rotatable so that, for example, only one laser 19 ', 19' 'can transmit its laser beams 22' or 22 '' to the component 1 via the mirrors 31 or 33 and the lens 35.
  • the component 1, 120, 130, 155 or the optics 35 or the mirrors 31, 33 are movable in one direction 43, so that the laser beam 22, 22 'is moved over the component 1, for example according to FIG.
  • lasers 19 ', 19 may have wavelengths of either 1064nm or 532nm.
  • pulse length for example, the laser 19 'can be set to pulse lengths of 0.1 to 5 ms; on the other hand, the laser 19 'on pulse lengths of 50 - 500ns.
  • Optics 35 are coupled to the component 1, which are necessary to produce, for example, the outer edge region 28 or the inner region 25.
  • FIG. 10 shows two lasers 19 ', 19' ', two mirrors 31, 33 and an optic in the form of a lens 35.
  • the first laser 19 ' is coupled in with the shorter laser pulse lengths.
  • the first laser 19 ' is decoupled by movement of the mirror 31, and the second laser 19 "is coupled in with its longer laser pulse lengths by movement of the mirror 33.
  • FIG. 11 shows by way of example a gas turbine 100 in a long 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.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, form four successive turbine stages 112, the turbine 108th
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • a series of guide vanes 115 follows a series of vanes 120 in the hot gas duct 111 of a row of vanes 115.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the rotor 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 guided 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 relaxes on the rotor blades 120 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 the operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow 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. In order to withstand the temperatures prevailing there, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components can have a directed structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only slow grains (DS structure). Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • the vane 130 has a Leitschaufelfuß facing the mecanical exhauste 138 of the turbine 108 (not shown here) and a Leitschaufelfuß opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 12 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a flow machine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the flow machine 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, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403, and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (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 flow-on edge 409 and a downstream edge 412 for a medium that flows past the blade 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a Fras vide or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy solidifies to a monocrystalline structure, ie to a single-crystalline workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the warm flow and form either a prismatic crystalline grain structure (columnar, ie grains, which run over the entire length of the workpiece and here, according to general usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole work piece consists of a single crystal.
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • a heat-insulating layer 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 fully stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal insulation layer covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), are used to produce protuberant grains in the thermal insulation layer.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the thermal insulation layer can have porous, micro- or macrocracked corns for better thermal shock resistance.
  • the thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and optionally still has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines), which are produced by the method according to the invention.
  • FIG. 13 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 meet in a common combustion chamber space 154, which produce flames 156 ,
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155. Due to the high temperatures in the interior of the combustion chamber 110, a cooling system can additionally be provided for the heat shield elements 155 or for their holding elements.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and optionally have cooler holes (not shown) which still open into the combustion chamber space 154 and are produced by the method according to the invention.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • ceramic maintenance can medamm harsh, consisting for example of ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, DH is not partially full text or ⁇ stabilized dig by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), are used to produce protuberant grains in the thermal insulation layer.
  • Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal insulation layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may have to be freed from protective layers after their use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products.
  • cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. Thereafter, a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of
  • Turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155 are Turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

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Abstract

Es gibt eine Vielzahl von Methoden, um Durchgangslöcher herzustellen. Insbesondere bei der Erzeugung einer Vielzahl von Filmkühllöchern, wie bei Gasturbinenschaufeln oder Brennkammerelementen spielen auch kleine zeitliche Vorteile bei der Herstellung eines Lochs eine Rolle. Das erfindungsgemäße Verfahren, das Loch jeweils abschnittsweise in einem oberen und einem unteren Bereich Endkonturnah herzustellen, um dann mit anderen Laserparametern die Endkontur herzustellen, erzielt zeitliche Vorteile.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Lochs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lochs gemäß Anspruch 1.
Bei vielen Bauteilen, insbesondere bei Gussteilen, müssen nachtraglich Abtragungen wie Vertiefungen oder Durchgangslocher erzeugt werden. Insbesondere bei Turbinenbauteilen, die zur Kühlung Filmkuhllocher aufweisen, werden nach der Herstellung des Bauteils Locher nachtraglich eingefugt.
Solche Turbinenbauteile weisen oft auch Schichten auf, wie z.B. eine metallische Schicht oder Zwischenschicht und/oder eine keramische äußere Schicht. Die Filmkuhllocher müssen dann durch die Schichten und das Substrat (Gussteil) hindurch erzeugt werden.
Die US-PS 6,172,331 sowie die US-PS 6,054,673 offenbaren eine Laserbohrmethode, um in Schichtsystemen Locher einzufügen, wobei ultrakurze Laserpulslangen verwendet werden. Es wird aus einem bestimmten Laserpulslangenbereich eine Laserpulslange ausgesucht und damit das Loch erzeugt.
Die DE 100 63 309 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kuhlluftoffnung mittels eines Lasers, bei dem die Laserparameter so eingestellt werden, dass Material durch Sublimieren abgetragen wird.
Die US-PS 5,939,010 offenbart zwei alternative Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Lochern. Bei dem einen Verfahren (Fig. 1, 2 der US-PS) wird zuerst vollständig ein Loch erzeugt, bevor das nächste Loch erzeugt wird. In dem zweiten Verfahren werden die Locher schrittweise erzeugt, indem zu- erst ein erster Teilbereich eines ersten Lochs, dann ein erster Teilbereich eines zweiten Lochs usw. erzeugt wird (Fig. 10 der US-PS) . Dabei können bei den zwei Verfahren unter- schiedliche Pulslangen verwendet werden, aber immer die gleichen Pulslangen innerhalb eines Verfahrens. Die zwei Verfahren können nicht miteinander verknüpft werden. Die Querschnittsflache des abzutragenden Bereichs entspricht immer dem Querschnitt des herzustellenden Lochs.
Die US-PS 5,073,687 offenbart die Verwendung eines Lasers zur Herstellung eines Lochs in einem Bauteil, das aus einem Substrat mit beidseitiger Kupferschicht gebildet ist. Dabei wird zuerst mittels längerer Pulsdauer ein Loch durch einen Kupferfilm erzeugt und dann mittels kürzerer Pulse ein Loch in dem Substrat, bestehend aus einem Harz, wobei anschließend ein Loch durch eine Kupferschicht auf der Ruckseite mit höherer Ausgangsleistung des Lasers erzeugt wird. Die Quer- schnittsflache des abgetragenen Bereichs entspricht dem Querschnitt des herzustellenden Lochs.
Die US-PS 6,479,788 Bl offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Lochs, bei dem in einem ersten Schritt längere Pulslangen verwendet werden als in einem weiteren Schritt. Die Pulsdauer wird hier variiert, um eine möglichst gute Rechteckform im Loch herzustellen. Dabei wird auch die Querschnittsflache des Strahls bei abnehmender Pulslange vergrößert.
Ein weiteres Laserbohrverfahren ist in der EP 1 062 070 Bl offenbart .
Die Verwendung von solchen ultrakurzen Laserpulsen ist wegen deren geringen mittleren Leistungen teuer und sehr zeitinten- siv.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu überwinden .
Die Aufgabe wird gelost durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. In den Unteranspruchen des Verfahrens sind weitere vorteilhafte Maßnahmen des Verfahrens aufgelistet.
Die in den Unteranspruchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden .
Die Unterteilung eines Lochs bei der Herstellung in einen unteren Bereich und einen äußeren Diffusor sowie die Aufteilung in endkonturnahe und Endkonturherstellung des unteren Bereichs und des Diffusors ergeben eine schnellere Herstellung des Lochs in einem Bauteil.
Die Erfindung wird anhand der Figuren naher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Loch in einem Substrat, Figur 2 ein Loch in einem Schichtsystem, Figur 3 eine Draufsicht auf ein herzustellendes Durchgangsloch,
Figur 4 - 9 Abtragungsschritte erfindungsgemaßer Verfahren, Figur 10 eine Apparatur, um das Verfahren durchzufuhren,
Figur 11 eine Gasturbine, Figur 12 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel und
Figur 13 eine perspektivische Ansicht einer Brennkammer .
Beschreibung des Bauteils mit Loch
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1 mit einem Loch 7. Das Bauteil 1 besteht aus einem Substrat 4 (beispielsweise ein Gussteil oder DS- bzw. SX-Bauteil) . Das Substrat 4 kann metallisch und/oder keramisch sein. Insbesondere bei Turbinenbauteilen, wie z.B. Turbinenlauf- 120 oder -leitschaufeln 130 (Fig. 11, 12), Hitzeschildelementen 155 (Fig. 13) sowie anderen Gehauseteilen einer Dampf- oder Gasturbine 100 (Figur 11) , aber auch einer Flugzeugturbine, besteht das Substrat 4 aus einer nickel-, kobalt- oder eisenbasierten Superlegierung . Bei Turbinenschaufeln für Flugzeuge besteht das Substrat 4 beispielsweise aus Titan oder einer Titan-Basislegierung . Das Substrat 4 weist ein Loch 7 auf, das beispielsweise ein Durchgangsloch ist. Es kann aber auch ein Sackloch sein. Das Loch 7 besteht aus einem unteren Bereich 10, der von einer Innenseite des Bauteils 1 ausgeht und der beispielsweise symmetrisch (beispielsweise kreisförmig, oval oder rechteckformig) ausgebildet ist, und einem oberen Bereich 13, der gegebenenfalls als Diffusor 13 an einer äußeren Oberflache 14 des Substrats 4 ausgebildet ist. Der Diffusor 13 stellt eine Verbreiterung des Querschnitts gegenüber dem unteren Bereich 10 des Lochs 7 dar. Das Loch 7 ist vorzugsweise ein Filmkuhlloch. Insbesondere die innen liegende Oberflache 12 des Diffusors 13, also im oberen Bereich des Lochs 7, soll glatt sein, weil Unebenheiten unerwünschte Turbulenzen, Umlenkungen erzeugen, um ein optimales Ausstromen eines Mediums, insbesondere eines Kuhl- mediums aus dem Loch 7 zu ermöglichen. An die Qualität der
Lochoberflache im unteren Bereich 10 des Lochs 7 werden deutlich geringere Anforderungen gestellt, da das Anstromverhal- ten hierdurch nur wenig beeinflusst wird.
Figur 2 zeigt ein Bauteil 1, das als Schichtsystem ausgeführt ist.
Auf dem Substrat 4 ist zumindest eine Schicht 16 vorhanden.
Dies kann beispielsweise eine metallische Legierung des Typs MCrAlX sein, wobei M für zumindest ein Element der Gruppe
Eisen, Kobalt oder Nickel steht. X steht für Yttrium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden. Die Schicht 16 kann auch keramisch sein.
Auf der MCrAlX-Schicht kann noch eine weitere Schicht (nicht dargestellt) vorhanden sein, beispielsweise eine keramische Schicht, insbesondere eine Warmedammschicht .
Die Warmedammschicht ist beispielsweise eine vollständig oder teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, insbesondere eine EB- PVD-Schicht oder plasmagespritzte (APS, LPPS, VPS), HVOF oder CGS (cold gas spraying) Schicht.
In dieses Schichtsystem 1 wird ebenfalls ein Loch 7 mit dem unteren Bereich 10 und dem Diffusor 13 eingebracht.
Die vorstehenden Ausfuhrungen zur Herstellung des Lochs 7 gelten für Substrate 4 mit und ohne Schicht 16 oder Schichten 16.
Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Loch 7 gemäß Figur 1 oder 2.
Das Loch 7 kann auch unter einem spitzen Winkel zur Oberflache 14 des Bauteils 1 verlaufen.
Abfolge der herzustellenden Bereiche eines Lochs
Figur 4 zeigt das Loch 7 in seiner gewünschten Endkontur von Diffusor 13 und unterem Bereich 10, wobei gestrichelt angedeutet sind die Bereiche 10', 13', die der endkonturnahen Form entsprechen.
Endkonturnah bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ausgehend von einer Oberflache der Endkontur des unteren Bereichs 10 und des Diffusors 13 noch eine bestimmte Schichtdicke, bei- spielsweise einige μm dick, noch vorhanden ist. Jedenfalls ist das Loch 7 hinter der endkonturnahen Form gegenüber der Endkontur verjungt, wobei die Schichtdicke so ausgebildet ist, dass mit dem Bearbeitungsverfahren zur endkonturnahen Form gewahrleistet ist, dass das Loch 7 nicht über sein Endkontur verbreitert wird. Endkonturnah bedeutet auch, dass noch eine weitere Bearbeitung erfolgen muss.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemaße zeitliche Abfolge der herzustellenden Bereiche des Lochs 7.
In einem ersten Arbeitsschritt a) wird ein Teilbereich 13' in einer endkonturnahen Form des Diffusors 13 hergestellt. Dabei können längere Pulsdauern, insbesondere großer 500ns verwendet werden. Vorzugsweise wird der Laser 19' (Fig. 2) nicht in der XY-Ebene verfahren.
In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird die endkonturnahe Form 10' des unteren Bereichs 10 erzeugt.
Dabei werden vorzugsweise längere Puldauern großer 500ns verwendet, wobei vorteilhafterweise der Laserstrahl oder der Elektronenstrahl nicht verfahren wird und das so genannte Laserschlagbohren hier angewendet wird. So kann der größte Teil des herzustellenden Lochs 7 sehr schnell hergestellt werden .
In einem weiteren Verfahrensschritt c) wird die Endkontur des Diffusors 13 hergestellt.
Dabei werden vorzugsweise kürzere Pulszeiten verwendet, die insbesondere kleiner 500ns, insbesondere 300ns betragen. Der Laser 19, 19' wird dabei vorzugsweise in der XY-Ebene verfah- ren.
Im letzten Arbeitsschritt d) wird die Endkontur des unteren Bereichs 10 hergestellt.
Dabei kann das Laserschlagbohren mit längeren Pulslangen, insbesondere >500ns verwendet werden oder es werden ebenfalls kürzere Pulslangen ≤500ns verwendet, wobei dann der Laser- strahl oder der Elektronenstrahl auch wieder in der XY-Ebene verfahren wird.
Die Schritte c) und d) können auch vertauscht werden (Fig. 6) .
Die endkonturnahe Form 13' des Diffusors 13 kann auch der Geometrie des unteren Bereichs 10' in seiner endkonturnahen Form entsprechen, da der Diffusor 13 immer eine Verbreiterung des Querschnitts des unteren Bereichs darstellt.
Wenn also der untere Bereich ein Loch mit einem konstanten Durchmesser ist, so wird für die endkonturnahe Form 10' des unteren Bereichs ein Loch mit einem etwas kleineren Durchmesser erzeugt, wobei dieser Durchmesser dann auch die endkon- turnahe Form 13' des Diffusors 13 darstellt (Fig. 7) . Dabei werden längere Pulslangen verwendet, insbesondere großer 500ns, was dem so genannten Laserschlagbohren entspricht. Für die Weiterbearbeitung gibt es zwei Möglichkeiten. In einem ersten weiteren Verfahrensschritt wird die Endkontur des Diffusors 13 hergestellt und dann die Endkontur des unteren Bereichs 10 oder in einer zweiten Alternative wird zuerst die Endkontur des unteren Bereichs 10 und dann die Endkontur 13 des Diffusors hergestellt (Fig. 7).
Figur 8 zeigt weitere Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung. In einem ersten Schritt wird die endkonturnahe Form 13' des Diffusors 13 hergestellt, insbesondere mit längeren Pulslangen . In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Endkontur des
Diffusors 13 hergestellt (Verfahrensschritt b) . Dies erfolgt durch die Verwendung von kürzeren Pulslangen, wobei die Laser oder Elektronenstrahlen insbesondere in der Ebene der Oberflache, in der der Diffusor angeordnet ist, verfahren werden. In einer ersten Alternative wird der untere Bereich 10 mit längeren Pulslangen in seiner Endkontur hergestellt. In einer weiteren Alternative (c) , d) ) kann im Verfahrensschritt c) zuerst eine Endkontur des unteren Bereichs 10 erzeugt werden, wobei dies mit längeren Pulslangen erfolgt. In einem letzten Verfahrensschritt d) wird dann die Endkontur des unteren Bereichs 10 erzeugt, wobei dies insbesondere mit kürzeren Pulslangen erfolgt.
Figur 9 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel des erfin- dungsgemaßen Verfahrens.
In einem ersten schritt a) wird die Endkontur des Diffusors 13 hergestellt, wobei insbesondere die kürzeren Pulslangen verwendet werden . In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird die endkonturnahe Form 10' des unteren Bereichs 10 hergestellt. Dies erfolgt mit längeren Pulslangen.
In einem letzten Verfahrensschritt c) wird die Endkontur des unteren Bereichs 10 hergestellt, wobei dies insbesondere mit kürzeren Wellenlangen erfolgt. Bei der Herstellung des endkonturnahen Bereichs 10' und der Endkontur des unteren Bereichs 10 können auch nur längere Pulslangen verwendet werden, wobei dann im Verfahrensschritt b) die Querschnittsflache, die durch den Laserstrahl oder Elektronenstrahl abgetragen wird, nicht dem Durchmesser des unteren Bereichs entsprechen. Dann wird im Verfahrensschritt der Strahl der Laser oder der Elektronen so aufgeweitet, dass ein Querschnitt abgetragen wird, der der Endkontur des unteren Bereichs 10 entspricht.
Vorzugswiese werden also für die Herstellung einer endkonturnahen Form des Diffusors oder des unteren Bereichs längere Pulslangen verwendet oder der Strahl so eingestellt, dass er nicht die Endkontur ergibt. Vorzugsweise werden dann für die Herstellung der Endkontur kürzere Pulslangen verwendet oder der Strahl wird bei lange- ren Pulslangen so eingestellt, dass die gewünschte Kontur ergibt.
Laserparameter
Bei der Verwendung von Pulsen mit einer bestimmten Pulslange ist die Ausgangsleistung des Lasers 19' , 19' ' beispielsweise konstant . Bei den längeren Pulslangen wird eine Ausgangsleistung des
Lasers 19', 19'' von mehreren 100 Watt, insbesondere 500 Watt verwendet .
Bei den kürzeren Laserpulslangen wird eine Ausgangsleistung des Lasers 19', 19'' von kleiner 300 Watt verwendet. Ein Laser 19' , 19' ' mit einer Wellenlange von 532 nm wird beispielsweise nur zur Erzeugung kürzerer Laserpulse verwendet.
Bei den längeren Laserpulslangen werden insbesondere eine Laserpulsdauer von 0,4ms und eine Energie (Joule) des Laser- pulses von 6J bis 10J, insbesondere 8J verwendet, wobei eine Leistung (Kilowatt) von 10kW bis 5OkW, insbesondere 2OkW bevorzugt wird.
Die kürzeren Laserpulse weisen eine Energie im einstelligen oder zweistelligen Millijoule-Bereich (mJ) auf, vorzugsweise im einstelligen Millijoule-Bereich, wobei die verwendete
Leistung insbesondere meist im einstelligen Kilowattbereich liegt .
Anzahl Laser
Bei dem Verfahren können ein Laser bzw. zwei oder mehr Laser 19', 19'' (Fig. 10) verwendet werden, die gleichzeitig oder nacheinander eingesetzt werden. Die ahnlichen oder verschie- denen Laser 19', 19'' weisen beispielsweise verschiedene Bereiche hinsichtlich ihrer Laserpulslangen auf. So kann z.B. ein erster Laser 19' Laserpulslangen kleiner gleich 500ns, insbesondere kleiner 100ns erzeugen und ein zweiter Laser 19'' Laserpulslangen großer 100ns, insbesondere großer 500ns erzeugen .
Zur Erzeugung eines Lochs 7 wird zuerst der erste Laser 19' eingesetzt. Für die weitere Bearbeitung wird dann der zweite Laser 19'' verwendet oder umgekehrt.
Bei der Herstellung des Durchgangslochs 7 kann auch nur ein Laser verwendet werden. Insbesondere wird ein Laser verwen- det, der beispielsweise eine Wellenlange von 1064nm aufweist und der sowohl die längeren als auch die kürzeren Laserpulse erzeugen kann .
Vorrichtung
Die Figur 10 zeigt eine beispielhafte Vorrichtungen 40. Die Vorrichtungen 40 bestehen aus zumindest einer Optik 35, 35' , insbesondere zumindest einer Linse 35, die zumindest einen Laserstrahl 22, 22', 22'' auf das Substrat 4 lenkt, um das Loch 7 zu erzeugen.
Es sind ein, zwei Laser 19', 19'' vorhanden. Die Laserstrahlen 22, 22', 22'' können über Spiegel 31, 33 zur Optik 35 hingeführt werden. Die Spiegel 31, 33 sind so verschieb- oder drehbar, dass beispielsweise jeweils nur ein Laser 19', 19'' seine Laserstrahlen 22' oder 22' ' über die Spiegel 31 oder 33 und die Linse 35 auf das Bauteil 1 senden kann. Das Bauteil 1, 120, 130, 155 oder die Optik 35 oder die Spie- gel 31, 33 sind in einer Richtung 43 verfahrbar, so dass der Laserstrahl 22, 22' beispielsweise gemäß Figur 5 über dem Bauteil 1 verfahren wird.
Die Laser 19', 19'' können bspw. eine Wellenlangen von entweder 1064nm oder 532nm aufweisen. Die Laser 19', 19'' können verschiedene Wellenlangen aufweisen: 1064nm und 532nm. Hinsichtlich Pulslange ist beispielsweise der Laser 19' auf Pulslangen von 0,1 - 5ms einstellbar; hingegen der Laser 19' auf Pulslangen von 50 - 500ns.
Durch Verschieben der Spiegel 31, 33 kann jeweils der Strahl des Lasers 19', 19'' mit solchen Laserpulslangen über die
Optik 35 auf das Bauteil 1 eingekoppelt werden, die notwendig sind, um beispielsweise den äußeren Randbereich 28 oder den Innenbereich 25 herzustellen.
Figur 10 zeigt zwei Laser 19', 19'', zwei Spiegel 31, 33 und eine Optik in Form einer Linse 35.
Wird beispielsweise zuerst der äußere Randbereich 28 gemäß Figur 6 hergestellt, so wird der erste Laser 19' mit den kürzeren Laserpulslangen eingekoppelt.
Wird dann der innere Bereich 25 hergestellt, so wird durch Bewegung des Spiegels 31 der erste Laser 19' ausgekoppelt und durch Bewegung des Spiegels 33 der zweite Laser 19' ' mit seinen längeren Laserpulslangen eingekoppelt.
Bauteile
Die Figur 11 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Langsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenlaufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehause 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehause 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 Stromungsrichtung 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 Innengehause 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) .
Wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehause 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 gefuhrt 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 impulsubertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Stromungsrichtung 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 Kuhlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur langsgerichtete Korner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehause 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 12 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Stromungsmaschine, die sich entlang einer Langsachse 121 erstreckt.
Die Stromungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitatserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Langsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge- staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeistromt, eine Anstromkante 409 und eine Ab- stromkante 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 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Frasverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstucke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstucken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flussige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstuck, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stangelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Korner, die über die ganze Lange des Werkstuckes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstuck besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefugen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch
Stangelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefugen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen
Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schutzende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Warmedammschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Warmedammschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warmedammschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kor- ner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen. Die Warmedammschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkuhllocher 418 (gestrichelt angedeutet) auf, die mit dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellt werden .
Die Figur 13 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 munden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungunstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermog- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kuhlsystem vorgesehen sein. Die Hitze- schildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mundende Kuhllocher (nicht dargestellt) auf, die mit dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellt werden.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebestandigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbestandigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ahnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische War- medammschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphari- sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warmedammschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Korner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen. Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte . Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der
Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Lochs (7) in einem Bauteil (1, 120, 130, 155), insbesondere in einem Schichtsystem, in mehreren Arbeitsschritten, wobei das herzustellende Loch (7) aus einem unteren Bereich (10), der insbesondere symmetrisch ist, und einem äußeren Diffusor (13) , der insbesondere asymmetrisch ist, besteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass zuerst eine endkonturnahe Herstellung (13') des Dif- fusors (13) erfolgt, dass dann eine endkonturnahe Herstellung (10') des unteren Bereichs (10) erfolgt, und entweder dass dann der Diffusor (13) in seiner Endkontur und dann der untere Bereich (10) in seiner Endkontur hergestellt wird, oder dass dann der untere Bereich (10) in seiner Endkontur und dann der Diffusor (13) in seiner Endkontur hergestellt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zuerst eine Herstellung (13') des Diffusors (13) in der Endkontur und dann eine Herstellung (10') des unteren Bereichs (10) in der Endkontur erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zuerst eine Herstellung (13') des unteren Bereichs (10) in der Endkontur und dann eine Herstellung (10') des Diffu- sors (13) in der Endkontur erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Laserstrahlen zumindest eines Lasers (19', 19'') zur Herstellung des Lochs (7) verwendet werden, die gepulst werden können und dabei eine Pulslange aufweisen .
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Elektronenstrahlen zur Herstellung des Lochs (7) verwendet werden, die gepulst werden können und dabei eine Pulslange aufwei- sen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der endkonturnahen Form (13') des Diffu- sors (13) längere Pulslangen, insbesondere > 500ns, verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der endkonturnahen Form (13') des Diffu- sors (13) kürzere Pulslangen, insbesondere ≤ 500ns, verwendet werden.
8. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der endkonturnahen Form (10') des unteren Bereichs (10) längere Pulslangen, insbesondere > 500ns, verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der Endkontur des Diffusors (13) kürzere Pulslangen verwendet werden, insbesondere ≤ 500ns.
10. Verfahren nach Anspruch 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der Endkontur des unteren Bereichs (10) kürzere Pulslangen, insbesondere ≤ 500ns, verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Herstellung der Endkontur des unteren Bereichs (10; längere Pulslangen, insbesondere > 500ns, verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der untere Bereich (10) symmetrisch ist
13. Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der äußere Diffusor (13) asymmetrisch ist.
14. Verfahren nach Anspruch 7, 9, oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Verwendung von kürzeren Pulsen der Laser- oder Elektronenstrahl in einer xy-Ebene verfahren wird.
15. Verfahren nach Anspruch 7, 9, oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Verwendung von längeren Pulsen der Laser- oder Elektronenstrahl nicht in einer xy-Ebene verfahren wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Bauteil (120, 130, 155) einer Gasturbine (100) bearbeitet wird.
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