WO2010040746A1 - Metallischer pin für feingussverfahren und keramische gussform - Google Patents

Metallischer pin für feingussverfahren und keramische gussform Download PDF

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WO2010040746A1
WO2010040746A1 PCT/EP2009/062972 EP2009062972W WO2010040746A1 WO 2010040746 A1 WO2010040746 A1 WO 2010040746A1 EP 2009062972 W EP2009062972 W EP 2009062972W WO 2010040746 A1 WO2010040746 A1 WO 2010040746A1
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platinum
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PCT/EP2009/062972
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Christian Gindorf
Stefan Krause
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C22C5/04—Alloys based on a platinum group metal
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C21/00—Flasks; Accessories therefor
    • B22C21/12—Accessories
    • B22C21/14—Accessories for reinforcing or securing moulding materials or cores, e.g. gaggers, chaplets, pins, bars
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt

Definitions

  • the invention relates to a metallic pin used in the investment casting process in a ceramic casting mold.
  • Figure 3 is a gas turbine Figure 4 in perspective a turbine blade
  • Figure 6 is a list of superalloys.
  • Figure 1 shows a pin 1 used in a casting process of metal melting in a ceramic casting mold.
  • the pins 1 are used, in particular, in single-crystal casting or in the production of grains solidified in columns, in particular in the case of turbine blades 120, 130 (FIG. 4) made of superalloys such as nickel-based materials (FIG.
  • the pin 1 according to the invention is completely metallic.
  • the pin 1 consists of only a single metallic material (alloy). This makes recycling and manufacturing easier.
  • pin 1 has an alloy of a platinum metal, in particular platinum (Pt), palladium (Pd) or iridium (Ir).
  • a platinum metal in particular platinum (Pt), palladium (Pd) or iridium (Ir).
  • the pin 1 is made of a platinum alloy.
  • the platinum alloy is an alloy of platinum (Pt), preferably with iridium (Ir) or palladium (Pd) or with iridium (Ir) and palladium (Pd): (Pt, Pd, Ir), (Pt / Pd), (Pt / Ir).
  • Pt70 / Ir30 (in wt%) is used.
  • alloys of Pd / Ir preferably Pd90 / Irl0 are interesting with a melting point of 1600 0 C.
  • silver (Ag) with small proportions ( ⁇ 10%) can be used as alloying additive, thus preferably Pd / Ir / Ag.
  • Pt / Al can be used.
  • the pin 1 is in particular produced inexpensively from a wire material.
  • FIG. 2 shows another pin 1 according to the invention.
  • the pin 1 according to FIG. 2 has a core 4, which in particular is completely encased and surrounded by a casing 7.
  • core 4 and sheath 7 are different.
  • core 4 and the sheath 7 only metallic material is used, which can be recycled better.
  • the core of the core is the core of the core
  • the core 4 preferably comprises a nickel-based material (FIG. 6), which in particular is precipitation-hardened.
  • the core 4 can also have a cobalt-base alloy, in particular according to FIG. 6.
  • the core 4 may comprise an alloy of a platinum metal (Pt, Pd, Ir) (Pt / Pd, Pt / Ir, Pt / Ir / Pt, Pd / Ir). wise, in particular consist of. Likewise, it is preferable to use Pt / Ni or Pd / Ni.
  • the core 4 is produced in particular from a wire material.
  • the core 4 comprises a ceramic, in particular the core 4 consists of a ceramic. Ceramics are cheaper and lighter than metal, but this is a bit more expensive to recycle.
  • the sheath 7 around the core 4 is preferably formed of pure platinum (Pt) or one of the above
  • Pt / Al can be used.
  • Platinum (Pt) reduce the proportion of platinum (Pt) for a pin 1, so that cost advantages can be achieved without having to do without the good oxidation resistance of platinum (Pt).
  • the sheath 7 is made of a platinum alloy.
  • the platinum alloy is an alloy of platinum (Pt), preferably with iridium (Ir) and / or palladium (Pd) and / or with iridium (Ir) and palladium (Pd).
  • Pt70 / Ir30 in wt%) is used.
  • alloys of Pd / Ir are interesting with a melting point of 1600 0 C.
  • the sheathing can be done by electroplating, dipping or spraying, etc. with the metal, if necessary, with a subsequent heat treatment.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • 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 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium flows 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as 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 guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 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 power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are 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 hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines that are in operation high mechanical, thermal and / or chemical stresses are exposed.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • Structures are also known as directionally rigidified structures
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, 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.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3-Zr ⁇ 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.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • FIG. 5 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 around a rotation axis 102 open into 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.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid 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 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 Al, which should be part of this disclosure with respect to the chemical composition of the alloy.
  • ceramic heat may be medämm harsh, consisting for example of ZrO 2, ZrO 2 Y2Ü3-ie, it is not partially full text or ⁇ dig stabilized by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • thermal barrier coating 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 need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

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Abstract

Beim Gießen werden teure Pins aus reinem Platin (Pt) verwendet. Dies ist kostspielig. Der erfindungsgemäße Pin (1) besteht höchstens teilweise aus Platin, in dem eine Platinlegierung oder ein mit Platin (Pt) beschichteter Kern (4) verwendet wird.

Description

Metallischer Pin für Feingussverfahren und keramische
Gussform
Die Erfindung betrifft einen metallischen Pin, der beim Feingussverfahren in einer keramischen Gussform verwendet wird.
Beim Feingießen, insbesondere bei Turbinenschaufeln sind oft innere Kerne vorhanden, die exakt umgössen werden müssen und Abstandhalter benötigen. Dazu werden Pins aus reinem Platin verwendet . Dies stellt eine teure Lösung dar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Pin aufzuzeigen, der billiger ist und in einer keramischen Gussform verwendet werden kann.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1, 2 erfindungsgemäße Ausführungen eines Pins,
Figur 3 eine Gasturbine Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel
Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und
Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Pin allgemein
Figur 1 zeigt einen Pin 1, der bei einem Gussverfahren von metallischem Schmelzen in einer keramischen Gussform verwendet wird.
Dabei kommen die Pins 1 insbesondere beim einkristallinen Gießen bzw. beim Herstellen von kolumnar erstarrten Körnern zum Einsatz, insbesondere bei Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 4) aus Superlegierungen wie Nickelbasiswerkstoffen (Fig. 6) .
Einheitlicher Pin
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Pin 1 vollständig metallisch.
Vorzugsweise besteht der Pin 1 aus nur einem einzigen metallischen Material (Legierung) . Dies macht das Recycling und die Herstellung einfacher.
Der Pin 1 weist erfindungsgemäß eine Legierung aus einem Platinmetall, insbesondere Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Iridium (Ir) auf.
Insbesondere besteht der Pin 1 aus einer Platin-Legierung. Die Platinlegierung ist eine Legierung aus Platin (Pt), vorzugsweise mit Iridium (Ir) oder Palladium (Pd) oder mit Iridium (Ir) und Palladium (Pd) : (Pt, Pd, Ir) , (Pt/Pd) , (Pt/Ir) . Vorzugsweise wird Pt70/Ir30 (in wt%) verwendet.
Ebenso interessant ist die Legierung Pt70/Pd30 (in wt%) .
Ebenso vorzugsweise kann eine Nickellegierung mit Platin (oder Platin-Nickellegierung) oder mit Palladium verwendet werden, ganz vorzugsweise Pt90/Nil0 (Ts= 16800C) oder Pd50Ni50 bzw. Pd70Ni30.
Auch Legierungen aus Pd/Ir, vorzugsweise Pd90/Irl0 sind interessant mit einem Schmelzpunkt von 16000C. Ebenso kann Silber (Ag) mit geringen Anteilen (<10%) als Legierungszusatz verwendet werden, also vorzugsweise Pd/Ir/Ag.
Ebenso vorzugsweise kann Pt/Al verwendet werden.
Der Pin 1 wird insbesondere kostengünstig aus einem Drahtwerkstoff hergestellt.
Der Preis für Iridium (Ir) und Palladium (Pd) oder die anderen Metalle ist erheblich billiger (Faktor mindestens 3 bis 4), so dass erhebliche Kostenvorteile erzielt werden, auch wenn noch Platin enthalten ist.
Pin mit Ummantelung
In Figur 2 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Pin 1 dargestellt. Der Pin 1 gemäß Figur 2 weist einen Kern 4 auf, der insbesondere vollständig, von einer Ummantelung 7 ummantelt und umgeben ist.
Die Materialien von Kern 4 und Ummantelung 7 sind verschieden . Vorzugsweise wird für den Kern 4 und die Ummantelung 7 nur metallisches Material verwendet, das besser recycelt werden kann .
Der Kern
Der Kern 4 weist vorzugsweise einen Nickelbasisstoff (Fig. 6) auf, der insbesondere ausscheidungsgehärtet ist. Auch kann der Kern 4 eine Kobaltbasislegierung aufweisen, insbesondere nach Figur 6.
Ebenso vorzugsweise kann der Kern 4 eine Legierung eines Platinmetalls (Pt, Pd, Ir) (Pt/Pd, Pt/Ir, Pt/Ir/Pt, Pd/Ir) auf- weisen, insbesondere daraus bestehen. Ebenso ist vorzugsweise Pt/Ni oder Pd/Ni zu verwenden.
Der Kern 4 wird insbesondere aus einem Drahtwerkstoff hergestellt .
Weiterhin vorzugsweise weist der Kern 4 eine Keramik auf, insbesondere besteht der Kern 4 aus einer Keramik. Keramik ist günstiger und leichter als Metall, jedoch ist dies etwas aufwendiger beim Recycling.
Die Ummantelung
Die Ummantelung 7 um den Kern 4 wird vorzugsweise aus reinem Platin (Pt) gebildet oder einer der oben genannten
Legierungen eines Platinmetalls (Pt, Pd, Ir) (Pt/Pd, Pt/Ir,
Pt/Ir/Pd, Pd/Ir) .
Ebenso vorzugsweise kann Pt/Al verwendet werden.
Auch so lässt sich wegen des geringeren Volumenanteils von
Platin (Pt) der Anteil von Platin (Pt) für einen Pin 1 reduzieren, so dass sich hier Kostenvorteile erzielen lassen, ohne auf die gute Oxidationsbeständigkeit von Platin (Pt) verzichten zu müssen.
Insbesondere besteht die Ummantelung 7 aus einer Platin- Legierung. Die Platinlegierung ist eine Legierung aus Platin (Pt), vorzugsweise mit Iridium (Ir) und/oder Palladium (Pd) und/oder mit Iridium (Ir) und Palladium (Pd) . Vorzugsweise wird Pt70/Ir30 (in wt%) verwendet.
Ebenso interessant ist die Legierung Pt70/Pd30 (in wt%) .
Ebenso vorzugsweise kann eine Nickellegierung mit Platin oder Palladium verwendet werden, ganz vorzugsweise Pt90/Nil0 (Ts= 16800C) oder Pd50Ni50 bzw. Pd70Ni30.
Auch Legierungen aus Pd/Ir, (vorzugsweise Pd90/Irl0) sind interessant mit einem Schmelzpunkt von 16000C. Die Ummantelung kann durch Galvanisieren, Eintauchen oder Besprühen, usw. mit dem Metall erfolgen ggf. mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet . Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen 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 Innengehäuse 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 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 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 Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen 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 Erstar- rungsverfahrens 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 schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht 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 makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht 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 Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf. Die Figur 5 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 münden, 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 ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- 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 Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich 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 Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, 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 stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Ein- satz 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

Schutzansprüche
1. Pin (1) zur Verwendung in einem Gussverfahren von metallischen Schmelzen, der (1) zumindest ein Element der Gruppe Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Nickel (Ni), Silber (Ag) oder Aluminium (Al) aufweist, aber Platin (Pt) höchstens teilweise aufweist.
2. Pin nach Anspruch 1, der eine Legierung aufweist.
3. Pin nach Anspruch 1 oder 2, dessen Legierung nur zwei Metalle aufweist
4. Pin nach Anspruch 1 oder 2, dessen Legierung nur drei Metalle aufweist
5. Pin nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, der zumindest zwei Elemente der Gruppe Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Nickel (Ni), Silber (Ag) oder Aluminium (Al) aufweist, insbesondere daraus besteht.
6. Pin nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, der ein Platinmetall aufweist, insbesondere daraus besteht.
7. Pin nach Anspruch 6, bei dem als Platinmetalle Platin (Pt) , Palladium (Pd) , Iridium (Ir) verwendet werden.
8. Pin nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem der Pin (1) nur aus metallischem Material besteht.
9. Pin nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem der Pin (1) aus nur einem einzigen metallischen Material besteht.
10. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, bei dem der Pin (1) eine Platinlegierung aufweist, insbesondere daraus besteht.
11. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, bei dem der Pin (1) eine Palladiumlegierung aufweist, insbesondere daraus besteht.
12. Pin nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10 oder 11, bei dem der Pin (1) einen Kern (4) und eine Ummantelung (7) aufweist, insbesondere daraus besteht.
13. Pin nach Anspruch 12, bei dem der Kern (4) eine Superlegierung aufweist, insbesondere eine Nickelbasissuperlegierung.
14. Pin nach Anspruch 12, bei dem der Kern (4) eine Palladiumlegierung aufweist, insbesondere daraus besteht.
15. Pin nach Anspruch 12, bei dem der Kern (4) eine Platinlegierung aufweist, insbesondere daraus besteht.
16. Pin nach Anspruch 12, bei dem der Kern (4) eine Kobaltlegierung aufweist, insbesondere daraus besteht.
17. Pin nach Anspruch 12, bei dem der Kern (4) eine Keramik aufweist, insbesondere daraus besteht.
18. Pin nach Anspruch 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, bei dem die Ummantelung (7) um den Kern (4) aus Platin (Pt) besteht .
19. Pin nach Anspruch 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, bei dem die Ummantelung (7) um den Kern (4) eine Legierung aus einem Platinmetall (Pt, Pd, Ir) aufweist, insbesondere daraus besteht.
20. Pin nach Anspruch 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 19, bei dem die Ummantelung (7) um den Kern (4) aus einer Platinlegierung besteht.
21. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 19 oder 20, bei dem eine Platin-Palladium-Legierung verwendet wird.
22. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 19 oder 20, bei dem eine Platin-Iridium-Legierung verwendet wird.
23. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 19 oder 20, bei dem eine Platin-Iridium-Palladium-Legierung verwendet wird.
24. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 19, bei dem eine Palladium-Legierung, insbesondere Palladium-Iridium verwendet wird.
25. Pin nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 19 oder 20, bei dem eine Nickel-Legierung mit Platin (Pt) oder Palladium (Pd) verwendet wird.
26. Keramische Gussform, die einen Pin (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche aufweist.
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