WO2007134916A1 - Verfahren zum vorbereiten eines bauteils aus einem elektrisch leitenden basismaterial auf das durchführen eines erodierprozesses - Google Patents

Verfahren zum vorbereiten eines bauteils aus einem elektrisch leitenden basismaterial auf das durchführen eines erodierprozesses Download PDF

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WO2007134916A1
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coating
base material
component
cooling air
electrically insulating
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PCT/EP2007/053616
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Viktor Georgiev
Francis-Jurjen Ladru
Thomas Malow
Gerhard Reich
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/10—Working turbine blades or nozzles
    • 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
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P2700/00—Indexing scheme relating to the articles being treated, e.g. manufactured, repaired, assembled, connected or other operations covered in the subgroups
    • B23P2700/06—Cooling passages of turbine components, e.g. unblocking or preventing blocking of cooling passages of turbine components
    • 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 present invention relates to a method for Vorbe ⁇ riding a component of electrically conductive base material on performing an erosion process.
  • Highly thermally stressed components are often provided with a heat-insulating coating to keep the heat load of the components low.
  • cooling air holes are incorporated in such devices frequently to the Erzeu ⁇ gene of a cooling air film over the component to enable. The cooling air film leads to a further cooling and thus to a further reduction of the thermal load.
  • gas turbine blades so running or Leitschau ⁇ blades of gas turbines, have such cooling air holes and thermal barrier coatings on.
  • the existing cooling air holes are closed when applying the thermal barrier coating, they must be opened again after applying the thermal barrier coating.
  • the opening can be done, for example, by means of a high-pressure fluid, which is blown from the inside of the turbine blades through the cooling air holes.
  • a high-pressure fluid which is blown from the inside of the turbine blades through the cooling air holes.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous method of preparing a component of an electrically conductive base material to performing a Erodierpro ⁇ zesses available.
  • a further object is to provide an advantageous method for producing a component from an electrically conductive base material with an electrically insulating coating and recesses introduced into the base material. to make available.
  • the surface of the base material is kept from the outset by the coating material where the erosion process is to be carried out for forming recesses, such as cooling air openings, it is no longer necessary to remove excess coating material after application of the coating. The risk of damaging the already applied coating by removing coating material is thereby eliminated. In addition, the number of working steps can be so when erosive inputs bring decrease of recesses since the removal of the coating is removed, which has a cost-len the herstel ⁇ of components can affect.
  • a template can be arranged over the component surface being ⁇ .
  • This template can also be designed in three dimensions. It then has, for example, a structure which is inverse to the erosive recess and which is arranged relative to the component surface and to the injection direction such that the resulting spray shadow corresponds to the opening surface of the recess in the surface.
  • the template is provided with a geeig ⁇ Neten shape and is arranged in such a way check on the component surface that a spray shadow is produced by the geometry of the diffuser.
  • the ⁇ ff ⁇ tion of a later to be produced cooling air hole in the electrically insulating coating can be formed as a diffuser.
  • the inventive method is particularly suitable for the manufacture of turbine blades, so as runners or vanes of gas turbines to which a thermal barrier coating is applied as an electrically insulating coating and in the means of the erosion process cooling air holes as
  • Recesses are to be introduced. Since it nenschaufeln at Gasturbi ⁇ arrives particularly dependent on the integrity of the thermal barrier coating, United ⁇ the invention makes driving a valuable contribution, the production of gas-turbine binenschaufein improve with cooling air holes.
  • pins can be used as inverse structures of a three-dimensional template for generating the spray shadow at the locations where the cooling air holes are to be introduced. These pins may have the inverse shape of a diffuser at their abutting end portions of the component.
  • Suitable spraying methods for applying the electrically insulating coating are, in particular, thermal spraying methods. But also non-thermal spray methods, such as. Cold gas spraying, can be used in principle.
  • the method according to the invention for preparing a component from an electrically conductive base material for performing an erosion process can be made into a production method for producing a component from an electrically insulating base material with an electrically insulating coating applied to the surface of the base material and at least one into the base material Erosion after the application of the electrically insulating coating in the base material introduced recess be expanded if after preparing the component according to the preparation method according to the invention at least one recess is introduced by means of an erosion process where the component surface has been kept free of the coating material.
  • Fig. 1 shows schematically a section of a blade of a gas turbine.
  • Fig. 2 shows a template for generating a spray shadow during the molding on a thermal insulation coating to the turbine blade in a plan view of the leading edge of the turbine show ⁇ fel.
  • Fig. 3 shows the turbine blade of Fig. 2 in one
  • FIG. 4 shows a detail of Fig. 3 in an enlarged view.
  • FIG. 5 shows the turbine blade of FIG. 3 during the FIG
  • FIG. 6 shows a perspective view of a moving blade or guide vane of a turbomachine.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a rotor 120 or guide vane 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for electricity generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • blades 120, 130 in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
  • 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 writings are with respect.
  • the chemical composition of the alloy part of the disclosure can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpiece consists of a single crystal. In these processes, one must avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from 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.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX ⁇ layer.
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • APS atmospheric plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS VPS
  • CVD chemical vapor deposition
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or grain-contaminated grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, will also
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid.
  • the blade 120 is to be cooled 130, it is hollow and, if necessary, has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • the running ⁇ blade 1 shows a schematic representation of a section of a rotor blade of a gas turbine.
  • the running ⁇ blade 1 consists of a metallic base material, and has a leading edge 3 and a trailing edge 5 on, Zvi ⁇ rule which extend a pressure side and a suction side 7.
  • the turbine blade 1 is provided with a thermal barrier coating for thermal insulation against the hot exhaust gases flowing around it during operation of the gas turbine plant.
  • the heat dämmbe Anlagenung is introduced by means of an injection process up ⁇ .
  • atmosphäri ⁇ ULTRASONIC plasma spraying for the application which is a particular thermal spraying process comes.
  • layer applied before the cooling air holes 11, 13, 15 are introduced by means of Erodierbohrens in the metallic base material of the turbine blade 1 turbine blade featured in preparing the Darge in Fig. 1 ⁇ first the ceramic thermal barrier ⁇ . Since EDM drilling requires a counter electrode to the erosion electrode, the ceramic thermal barrier coating can not be drilled through this method.
  • a template 17 is placed over the surface 27 of the turbine blade 1, as shown in FIGS. 2 to 4.
  • the template 17 is equipped with a number of pins 19 fixed to a carrier 21.
  • the carrier passes into a holder 23, to which the template 17 is held during spraying.
  • the template 17 is stopped before the start of spraying to the surface of the uncoated turbine blade 1 that the tips 25 of the pins are located at a very small distance above the surface 27 of the turbine blade 1 (see Fig.4).
  • the spattering of the ceramic material takes place with the aid of a spray nozzle 29, from which the ceramic material is sprayed in an injection direction 33.
  • the spray tip 29 ver ⁇ transmitting ceramic material forms a spray cone 31, which is a to the spray direction 33 of the spray nozzle 29 substantially symmetrical material distribution. Due to the large ⁇ SEN spatial proximity of the pins 19 to the surface 27 of the turbo binenschaufel of the pins 19 and certain areas of an injection shade 37 is formed between the tips 25 of the surface 27 from 35. In the area 35 of the surface 27 covered by the spray shadow, the spilled ceramic material can not reach the surface 27. This area is therefore not coated during the spraying process.
  • Injection direction 33 oriented relative to each other so that the uncoated areas 35 in shape exactly correspond to the shape of the exit surfaces of the cooling air holes 11, 13, 15 to be formed in the component surface.
  • a template 17 with a ten geeigne ⁇ form and to arrange in such a way relative to the spraying device 33 on the turbine blade 1, that Spray shadow with the geometry of a diffuser who ⁇ shows the.
  • the resting on the turbine blade 1 end portions of the pins 19 of the template 17 may have the inverse form of a diffuser.
  • the shape of the pins 19 must be deviating from the shape of an ideal inverse diffuser.
  • the erosion electrodes 41 are brought to the uncoated regions 35 and the erosion drilling is started.
  • the Ero ⁇ be commanding electrodes 41 (s. Figure 5) is continually updated in the base material 43 so long reach this broken and a central cavity 45 of the turbine blade 1. After reaching the central cavity 45, the corresponding cooling air hole is completed.
  • cooling air bores can be introduced into the turbine blades after the application of a ceramic thermal barrier coating.
  • the removal of ceramic thermal barrier coating at the locations where the cooling air holes are to be introduced, is not necessary.
  • the ceramic thermal barrier coating 39 thus remains unchanged after application, so that the risk of damaging the thermal barrier coating by local removal does not exist.
  • the method according to the invention has been described using the example of the preparation of turbine blades for the introduction of cooling air bores by EDM drilling. However, it can also be used for introducing other recesses, for example grooves. These can then be introduced by means of a sinking process as the erosion process in the component surface.
  • the component does not need to be a turbine blade.
  • the invention can basically be used for preparing and make use of such components, which consist of an electrically conductive base material and after completion should have an electrically insulating surface coating and recesses in the base material. As recesses are blind or through holes, grooves, etc. into consideration.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils (1) aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierprozesses zur Verfügung gestellt. In dem Verfahren wird eine elektrisch isolierende Beschichtung (39) auf die Oberfläche (27) des Basismaterials aufgespritzt. Diejenigen Bereiche (35), in denen der Erodierprozess durchgeführt werden soll, werden beim Aufspritzen der Beschichtung von Beschichtungsmaterial freigehalten.

Description

Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines
Erodierprozesses
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbe¬ reiten eines Bauteils aus elektrisch leitendem Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierprozesses.
Thermisch hoch belastete Bauteile werden häufig mit einer wärmedämmenden Beschichtung versehen, um die Wärmebelastung der Bauteile gering zu halten. Zusätzlich werden in derartige Bauteile häufig Kühlluftbohrungen eingebracht, um das Erzeu¬ gen eines Kühlluftfilmes über dem Bauteil zu ermöglichen. Der Kühlluftfilm führt zu einer weiteren Kühlung und damit zu einer weiteren Verringerung der thermischen Belastung. Insbesondere Gasturbinenschaufeln, also Lauf- oder Leitschau¬ feln von Gasturbinen, weisen derartige Kühlluftbohrungen und Wärmedämmbeschichtungen auf.
Ein gängiges Verfahren zum Herstellen der Kühlluftbohrungen in dem metallisch leitenden Basiswerkstoff der Turbinenschau¬ feln ist das Erodieren mit Hilfe von Erodierelektroden. Da dieses Verfahren einen Stromfluss zwischen dem elektrisch leitenden Basismaterial und den Erodierelektroden erfordert, erfolgt das Einbringen der Kühlluftbohrungen vor dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Wärmedämmbeschichtung.
Weil beim Aufbringen der Wärmedämmbeschichtung die bereits vorhandenen Kühlluftbohrungen verschlossen werden, müssen diese nach dem Aufbringen der Wärmedämmbeschichtung wieder geöffnet werden. Das Öffnen kann bspw. mittels eines unter hohem Druck stehenden Fluids erfolgen, welches von der Innenseite der Turbinenschaufeln aus durch die Kühlluftbohrungen geblasen wird. Ein derartiges Verfahren ist bspw. in JP
9158702 beschrieben. Dabei ist darauf zu achten, dass beim Durchblasen der Kühlluftbohrungen keine Beschädigung der Beschichtung in der Umgebung der Bohrungen erfolgt. Eine weitere Vorgehensweise, um die Kühlluftbohrungen nach dem Aufbringen der Wärmedämmbeschichtung wieder zu öffnen, besteht darin, sie vor dem Aufbringen der Wärmedämmbeschich- tung mit einem Pfropfen zu verschließen. Nachdem die Wärmedämmbeschichtung aufgebracht ist, wird der Pfropfen wieder entfernt. In JP 4236757 ist ein Verfahren beschrieben, in welchem ein Pfropfen Verwendung findet, der nach dem Aufbringen der Wärmedämmbeschichtung ausgebrannt wird. Auch hierbei ist darauf zu achten, dass das Entfernen der Pfropfen die Wärmedämmschicht nicht beschädigt.
Eine Möglichkeit das Öffnen der Kühlluftbohrungen erst nach dem Aufbringen der Wärmedämmbeschichtung vorzunehmen, ist in JP 9136260 beschrieben. Nach dem Aufbringen einer Wärmedämmbeschichtung auf das Basismaterial einer Turbinenschaufel wird die Wärmedämmbeschichtung dort, wo die Kühlluftbohrungen eingebracht werden sollen, mittels eines Strahlverfahrens wieder entfernt. Anschließend werden die Kühlluftbohrungen mittels Erodierelektroden an den freigelegten Stellen in das Basismaterial eingebracht. Beim Entfernen der Wärmedämmbe¬ schichtung mittels des Strahlverfahrens muss jedoch äußerst sorgfältig darauf geachtet werden, dass das Strahlen nicht zu einer Beschädigung der keramischen Wärmedämmschicht außerhalb der für das Einbringen der Kühlluftbohrungen vorgesehenen Bereiche führt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierpro¬ zesses zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem elektrisch leitenden Basismaterial mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung und in das Basismaterial eingebrachten Ausnehmungen zur Ver- fügung zu stellen. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausge- staltungen des Verfahrens.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierprozesses wird eine elektrisch isolie- rende Beschichtung auf die Oberfläche des Basismaterials auf¬ gespritzt. Diejenigen Bereiche der Bauteiloberfläche, in denen der Erodierprozess durchgeführt werden soll, werden beim Aufspritzen der Beschichtung von Beschichtungsmaterial freigehalten .
Dadurch dass die Oberfläche des Basismaterials dort, wo der Erodierprozess bspw. zum Bilden von Ausnehmungen wie etwa Kühlluftöffnungen durchgeführt werden soll, von vornherein vom Beschichtungsmaterial freigehalten wird, ist nach dem Aufbringen der Beschichtung kein Entfernen von überschüssigem Beschichtungsmaterial mehr nötig. Das Risiko, die bereits aufgebrachte Beschichtung durch das Entfernen von Beschichtungsmaterial zu beschädigen, ist dadurch beseitigt. Außerdem lässt sich so die Zahl der Arbeitsschritte beim erosiven Ein- bringen von Ausnehmungen verringern, da das Entfernen der Beschichtung wegfällt, was sich kostengünstig auf das Herstel¬ len der Bauteile auswirken kann.
Das Freihalten derjenigen Bereiche, in denen der Erodierpro- zess durchgeführt werden soll, ist insbesondere durch Erzeu¬ gen eines Spritzschattens möglich. Da dies berührungslos mög¬ lich ist, ist dieses Vorgehen für die zu beschichtende Ober¬ fläche besonders schonend.
Zum Erzeugen des Spritzschattens kann während des Spritzens insbesondere eine Schablone über der Bauteiloberfläche ange¬ ordnet sein. Diese Schablone kann auch dreidimensional ausgebildet sein. Sie hat dann bspw. eine zu der erosiv zu bildenden Ausnehmung inverse Struktur, die derart relativ zur Bauteiloberfläche und zur Spritzrichtung angeordnet wird, dass der sich erge- bende Spritzschatten der Öffnungsfläche der Ausnehmung in der Oberfläche entspricht.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Schablone mit einer geeig¬ neten Form versehen und derart über der Bauteiloberfläche an- geordnet wird, dass ein Spritzschatten mit der Geometrie eines Diffusors erzeugt wird. Auf diese weise kann der Öff¬ nungsbereich einer später herzustellenden Kühlluftbohrung in der elektrisch isolierenden Beschichtung als Diffusor ausgebildet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen von Turbinenschaufeln, also etwa Lauf- oder Leitschaufeln von Gasturbinen, auf die eine Wärmedämmbeschichtung als elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht wird und in die mittels des Erodierprozesses Kühlluftbohrungen als
Ausnehmungen eingebracht werden sollen. Da es bei Gasturbi¬ nenschaufeln in besonderem Maße auf die Integrität der Wärmedämmbeschichtung ankommt, leistet das erfindungsgemäße Ver¬ fahren einen wertvollen Beitrag, die Herstellung von Gastur- binenschaufein mit Kühlluftbohrungen zu verbessern. Als inverse Strukturen einer dreidimensionalen Schablone zum Erzeugen des Spritzschattens an den Stellen, an denen die Kühlluftbohrungen eingebracht werden sollen, können bspw. Stifte Verwendung finden. Diese Stifte können an ihren an dem Bauteil anliegenden Endbereichen die inverse Form eines Diffusors haben.
Geeignete Spritzverfahren zum Aufbringen der elektrisch isolierenden Beschichtung sind insbesondere thermische Spritz- verfahren. Aber auch nichtthermische Spritzverfahren, wie bspw. Kaltgasspritzen, können grundsätzlich zur Anwendung kommen . Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierprozesses kann zu einem Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem elektrisch isolierenden Basismaterial mit einer auf die Oberfläche des Basismaterials aufgebrachten elektrisch isolierenden Be- schichtung und wenigstens einer in das Basismaterial durch Erodieren nach dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Be- schichtung in das Basismaterial eingebrachten Ausnehmung er- weitert werden, wenn nach dem Vorbereiten des Bauteils gemäß des erfindungsgemäßen Vorbereitungsverfahrens wenigstens eine Ausnehmung mittels eines Erodierprozesses dort eingebracht wird, wo die Bauteiloberfläche von dem Beschichtungsmaterial freigehalten worden ist.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beilie¬ genden Figuren.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Laufschaufel einer Gasturbine.
Fig. 2 zeigt eine Schablone zum Erzeugen eines Spritz- Schattens während des Anspritzens einer Wärmedämm- beschichtung auf die Turbinenschaufel in einer Draufsicht auf die Anströmkante der Turbinenschau¬ fel.
Fig. 3 zeigt die Turbinenschaufel aus Fig. 2 in einem
Schnitt senkrecht zur Anströmkante der Turbinen¬ schaufel .
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 3 in einer vergrößerten Darstellung. Fig. 5 zeigt Turbinenschaufel aus Fig. 3 während des
Erodierprozesses zum Einbringen von Kühlluftbohrungen .
Fig. 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine.
Die Figur 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampf- turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 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 dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive 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 Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristal¬ linen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem
Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkri- stalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemei¬ nen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze
Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngren- zen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch
Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 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 Zusammenset- zung 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 schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämm¬ schicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder mak- rorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch
Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130. Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein.
Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung einen Aus- schnitt aus einer Laufschaufei einer Gasturbine. Die Lauf¬ schaufel 1 besteht aus einem metallischen Basismaterial und weist eine Anströmkante 3 und eine Abströmkante 5 auf, zwi¬ schen denen sich eine Druckseite 7 und eine Saugseite 9 erstrecken. In der Druckseite 7 sowie in der Saugseite 9 sind Kühlluftbohrungen 11, 13, 15 angeordnet, durch die während des Betriebs der Gasturbine Kühlluft ausgeblasen wird, die sich als Kühlluftfilm um die Turbinenschaufel 1 legt.
Die Turbinenschaufel 1 ist zur thermischen Isolation gegen die sie im Betrieb der Gasturbinenanlage umströmenden heißen Abgase mit einer Wärmedämmbeschichtung versehen. Die Wärme- dämmbeschichtung wird mittels eines Spritzverfahrens aufge¬ bracht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt atmosphäri¬ sches Plasmaspritzen zur Anwendung, welches ein spezielles thermisches Spritzverfahren ist.
Erfindungsgemäß wird beim Herstellen der in Fig. 1 darge¬ stellten Turbinenschaufel zuerst die keramische Wärmedämm¬ schicht aufgebracht, bevor die Kühlluftbohrungen 11, 13, 15 mittels Erodierbohrens in das metallische Basismaterial der Turbinenschaufel 1 eingebracht werden. Da das Erodierbohren eine Gegenelektrode zur Erodierelektrode benötigt, kann die keramische Wärmedämmschicht mit diesem Verfahren nicht durch¬ bohrt werden.
Um das Aufbringen von keramischer Wärmedämmbeschichtung auf diejenigen Oberflächenbereiche, welche später die Austritts¬ öffnungen der Kühlluftbohrungen 11, 13, 15 bilden, zu unter- binden, wird während des Aufspritzens der Beschichtung eine Schablone 17 über der Oberfläche 27 der Turbinenschaufel 1 angeordnet, wie dies in den Figuren 2 bis 4 gezeigt ist. Die Schablone 17 ist mit einer Anzahl von Stiften 19 ausgestat- tet, die an einem Träger 21 befestigt sind. Der Träger geht in einen Halter 23 über, an den die Schablone 17 während des Spritzens gehalten wird. Die Schablone 17 wird vor Beginn des Spritzens so an die Oberfläche der noch unbeschichteten Turbinenschaufel 1 angehalten, dass sich die Spitzen 25 der Stifte mit sehr geringem Abstand über der Oberfläche 27 der Turbinenschaufel 1 befinden (vgl. Fig.4).
Das Verspritzen des Keramikmaterials erfolgt mit Hilfe einer Spritzdüse 29, von der aus das Keramikmaterial in eine Spritzrichtung 33 verspritzt wird. Das die Spritzdüse 29 ver¬ lassende Keramikmaterial bildet einen Spritzkegel 31, der eine um die Spritzrichtung 33 der Spritzdüse 29 weitgehend symmetrische Materialverteilung darstellt. Auf Grund der gro¬ ßen räumlichen Nähe der Stifte 19 zur Oberfläche 27 der Tur- binenschaufel bildet sich zwischen den Spitzen 25 der Stifte 19 und bestimmten Bereichen 35 der Oberfläche 27 ein Spritzschatten 37 aus. Im vom Spritzschatten bedeckten Bereich 35 der Oberfläche 27 kann das verspritze Keramikmaterial die Oberfläche 27 nicht erreichen. Dieser Bereich wird daher wäh- rend des Spritzprozesses nicht beschichtet.
Nachdem die keramische Wärmedämmbeschichtung 39 auf die Oberfläche 27 der Turbinenschaufel 1 aufgebracht worden ist, verbleiben die im Spritzschatten gelegenen Bereiche 35 unbe- deckt. Zudem sind beim Beschichten die Stifte 19 und die
Spritzrichtung 33 derart relativ zueinander orientiert, dass die unbeschichteten Bereiche 35 in ihrer Form genau der Form der Austrittsflächen der zu bildenden Kühlluftbohrungen 11, 13, 15 in der Bauteiloberfläche entsprechen.
Es ist ebenfalls möglich eine Schablone 17 mit einer geeigne¬ ten Form zu versehen und sie derart relativ zu der Spritzeinrichtung 33 auf der Turbinenschaufel 1 anzuordnen, dass Spritzschatten mit der Geometrie eines Diffusors erzeigt wer¬ den. Dazu können beispielsweise die auf der Turbinenschaufel 1 aufliegenden Endbereiche der Stifte 19 der Schablone 17 die inverse Form eines Diffusors aufweisen. Je nachdem welche An- Ordnung der Schablone 17 zu der Spritzeinrichtung 33 vorgesehen ist, muss die Form der Stifte 19 abweichend von der Form eines idealen inversen Diffusors ausgebildet sein.
Nachdem die Turbinenschaufel 1 so für den Erodierprozess vor- bereitet worden ist, werden die Erodierelektroden 41 an die unbeschichteten Bereiche 35 herangeführt und das Erodierboh¬ ren gestartet. Im Laufe des Erodierprozesses werden die Ero¬ dierelektroden 41 (s. Fig.5) immer weiter in das Basismaterial 43 nachgeführt, so lange bis dieses durchbrochen und eine zentrale Kavität 45 der Turbinenschaufel 1 erreicht ist. Nach dem Erreichen der zentralen Kavität 45 ist die entsprechende Kühlluftbohrung fertig gestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Kühlluftbohrungen nach dem Aufbringen einer keramischen Wärmedämmbeschichtung in die Turbinenschaufeln eingebracht werden. Das Entfernen von keramischer Wärmedämmbeschichtung an den Stellen an denen die Kühlluftbohrungen eingebracht werden sollen, ist nicht notwendig. Die keramische Wärmedämmbeschichtung 39 bleibt da- her nach dem Aufbringen unverändert, so dass das Risiko einer Beschädigung der Wärmedämmbeschichtung durch lokales Entfernen nicht besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde am Beispiel des Vorbe- reitens von Turbinenschaufeln auf das Einbringen von Kühl- luftbohrungen mittels Erodierbohren beschrieben. Es kann jedoch auch zum Einbringen anderer Ausnehmungen, bspw. Nuten, Verwendung finden. Diese können dann etwa mittels eines Senkprozesses als dem Erodierprozess in die Bauteiloberfläche eingebracht werden.
Auch braucht das Bauteil keine Turbinenschaufel zu sein. Die Erfindung lässt sich grundsätzlich zum Vorbereiten und Her- stellen solcher Bauteile anwenden, die aus einem elektrisch leitenden Basismaterial bestehen und die nach Fertigstellung eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung und Ausnehmungen im Basismaterial aufweisen sollen. Als Ausnehmungen kommen Sack- oder Durchgangsbohrungen, Nuten, etc. in Betracht .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils (1) aus einem elektrisch leitenden Basismaterial auf das Durchführen eines Erodierprozesses, wobei eine elektrisch isolierende Beschichtung (39) auf die
Oberfläche (27) des Basismaterials aufgespritzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
diejenigen Bereiche (35), in denen der Erodierprozess durchgeführt werden soll, beim Aufspritzen der Beschichtung von Beschichtungsmaterial freigehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Freihalten durch Erzeugen eines Spritzschattens (37) erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Erzeugen des Spritzschattens (37) eine Schablone (17; über der Bauteiloberfläche (27) angeordnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schablone (17) eine zu den Ausnehmungen inverse Struk- tur (19) aufweist, die derart relativ zur Bauteiloberfläche (27) und zur Spritzrichtung (33) angeordnet wird, dass der sich ergebende Spritzschatten (37) der Öffnungsfläche der Ausnehmung in der Oberfläche (27) entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schablone mit einer geeigneten Form versehen und derart über der Bauteiloberfläche angeordnet wird, dass ein Spritzschatten mit der Geometrie eines Diffusors erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Turbinenschaufel (1) ist, auf die eine Wärmedämmbeschichtung als elektrisch isolierende Oberflä- chenbeschichtung aufgebracht wird und dass zum Erzeugen des Spritzschattens (37) Stifte (19) als inverse Struktur für Kühlluftbohrungen Verwendung finden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spritzverfahren ein thermisches Spritzverfahren ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) aus einem elektrisch leitenden Basismaterial mit einer auf die Oberfläche (27) des Basismaterials aufgebrachten elektrisch isolierenden Beschichtung (39) und wenigstens einer in das Basismaterial durch einen Erodierprozess nach dem Aufbrin¬ gen der der elektrisch isolierenden Beschichtung (39) eingebrachten Ausnehmung, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (1) dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unterzogen wird, bevor die Ausnehmungen mittels eines Erodierprozesses dort eingebracht werden, wo die Bauteil¬ oberfläche von dem Beschichtungsmaterial frei gehalten wor¬ den ist.
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