WO2018114766A1 - Verfahren zur fügung von heissgaskomponenten-segmenten durch löten und entsprechende heissgaskomponente - Google Patents

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Bernd Burbaum
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of hot gas components from several segments and a hot gas component.
  • Turbines can be used to convert chemical energy of an energy source into mechanical energy, wherein the chemical energy is first converted by combustion into thermal energy and then supplied to the turbine by means of a flowing fluid.
  • a turbine has runners and vanes that are exposed to special loads, such as high operating temperatures and tensile stresses in the radial direction.
  • These components which are also referred to as hot gas components, must therefore be manufactured from highly loadable materials, such as, for example, titanium alloys, tungsten-molybdenum alloys, or in particular superalloys based on nickel or cobalt.
  • highly loadable materials such as, for example, titanium alloys, tungsten-molybdenum alloys, or in particular superalloys based on nickel or cobalt.
  • the blade tip of a turbine blade should be manufactured in comparison to the blade root or blade of oxidation- and corrosion-resistant materials.
  • the segments, which are initially manufactured separately, must then be metallurgically bonded together using suitable production technologies.
  • the object of the present invention is to provide a method for the production of hot gas components from a plurality of segments, which manages without complicated positioning devices.
  • Hot gas components are components that are exposed during their use very hot gases, such.
  • an inventive method for joining hot gas component segments hereinafter referred to merely as segments proposed.
  • the main body of a turbine guide vane or a turbine blade can be joined as a first segment and a vane tip, leading edge and / or trailing edge as further segments.
  • the segments to be joined are provided in a first step.
  • connecting elements are applied to the segments by means of laser beam deposition welding, ie the application of the connecting elements to the surface of the segments takes place by means of melting and simultaneous application of the material of the connecting element, wherein a laser serves as the heat source.
  • the material to be applied may, for example, be in powder form and fed by means of a powder conveyor.
  • Under a connecting element is an element to understand, which can be used for the positive connection of the segments by the connecting elements of the segments are formed complementary to each other, for example in the form of mutually staggered webs or pins.
  • the connecting elements comprise a brazing material to allow subsequent high temperature brazing and are applied at the location of the surface of the segments at which the connection between the segments is subsequently to be made.
  • the connecting elements of one segment or the connecting elements of several or all segments may have the same solder material.
  • All fasteners of one, several or all segments can be formed with the same dimensions to simplify and streamline their manufacture. However, it is also possible to choose different connecting elements, for example in order to adapt the connection of the segments to the mechanical loads of the connection.
  • a greater density (number per area) may be present
  • Connection elements may be provided, which may be formed, for example, smaller than in the area with lower mechanical loads.
  • the segments are positively joined at room temperature by positioning the connection elements corresponding to one another.
  • Room temperature here is the temperature to be understood, che prevails in the space in which the positive joining takes place.
  • the room temperature may be between 15 ° C and 30 ° C. Typically, it is between 21 ° C and 23 ° C
  • the material-fit joining of the segments takes place by means of high-temperature soldering.
  • the method according to the invention makes it possible to connect modularly produced segments of a hot gas component, for example a guide or blade main body with a blade tip, inlet or outlet edge, without requiring a special device for positioning the individual segments for high-temperature soldering.
  • a hot gas component for example a guide or blade main body with a blade tip, inlet or outlet edge
  • the connecting elements can be applied to the surface of the segments by applying webs to the surface of the segments by means of laser beam deposition welding and incorporating complementary molding grooves, wherein the webs comprise a brazing material for high-temperature brazing.
  • a web is to be understood as meaning an elongate projection with a cross-section which approximately remains approximately constant over the length, which is first applied to the surface of the segments to be connected at the desired connection point or the desired connection region.
  • grooves for example by means of machining, such. As milling or grinding, incorporated. These grooves are complementary to the or the webs of the other segment formed.
  • the positive joining can then take place, for example, by telescoping webs and oppositely formed grooves.
  • a heat treatment may be provided after the cohesive joining in order to be able to set an optimized microstructure.
  • the connecting elements in addition to a brazing material for high-temperature brazing the material of the segment on the surface of which or the connecting elements to be applied.
  • the connecting elements can for example consist of a solder material and the material of the segment.
  • the connecting elements of a first segment have a brazing material and the material of the first segment
  • the connecting elements of a second segment have a brazing material and the material of the second segment
  • solder material is applied.
  • One possibility is to first apply a layer of solder material to the surface of the segments, followed by a solder
  • the materials of the segments to be joined may have different compositions. This allows the different demands of the segments to be taken into account.
  • an oxidation-resistant material can be selected for the blade tip, leading edge and / or trailing edge of a guide or blade as for the guide or blade main body.
  • one, several or all segments may be a nickel base superalloy, for example a SX (single crystal) or DS (directionally solidified, directionally solidified) nickel base superalloy.
  • Nickel-base superalloys are alloys whose main constituent is nickel and which have a special composition which is particularly suitable for high-temperature applications.
  • a suitable solder material for nickel-base superalloys is known as NICROBRAZ
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a segment of a turbine blade with welded-on webs
  • Fig. 3 is a schematic representation of two segments after the introduction of forming grooves in the webs
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the segments from FIG. 3 after joining
  • 5 shows by way of example a gas turbine in a longitudinal partial section
  • 6 is a perspective view of a rotor blade
  • Fig. 7 shows a combustion chamber of a gas turbine.
  • a turbine blade 1 is produced as a hot gas component by providing and joining a base body 2 of a rotor blade, a blade tip 3, an outlet edge 4 (also called outflow edge) and an inlet edge 5 (also called leading edge) as hot gas component segments (FIG. 1) .
  • All segments are made of a nickel-base superalloy, but differ in their concrete composition depending on the segment, in order to be able to individually determine the respective properties of the segments.
  • FIG. 2 the joining process for each two segments is shown schematically.
  • webs 8 are first applied to the surface of the segments by means of laser deposition welding, as shown in FIG. 2 using the example of a segment 6.
  • the first step is the application of a solder layer IIA covering the entire surface in the joining region, to which then a layer 9A of the material 9 of the segment 6 and again a solder layer IIB are applied in sections.
  • the sections applied layers 9A, IIB then form the webs.
  • shaping grooves 8A, 8B are introduced into the webs 8 by means of machining.
  • the machining can include, for example, a milling process and / or a grinding process.
  • the connecting elements 8 in a layered construction on the material of the segment 9 (layer 9A) and the brazing material 11 (layers IIA and IIB).
  • the first segment 6 of the material 9 thus has connecting elements 8 with the material 9 and the brazing material 11, while the second segment 7 of the material 10 has connecting elements 8 with the material 10 and the brazing material 11.
  • the segments 6, 7 are positively joined at room temperature by the webs 8 with the complementary shaped grooves 8A, 8B are pushed into one another in a lateral movement. Subsequently, the segments 6, 7 are joined by means of high-temperature brazing material. The result is shown schematically in FIG.
  • a heat treatment can take place in order to set an optimized microstructure area of the cohesive joint.
  • FIG. 5 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working medium 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium flows
  • the working medium 113 relaxes in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow of the working medium 113, are the most thermally exposed in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as 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.
  • the blades 120, 130 can be coatings against corrosion (MCrAlX; 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, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • 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, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • 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.
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , ie is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • 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
  • FIG. 6 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 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 leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation. The production of 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 warm flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, for general language use, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified columnar grain structure
  • monocrystalline structure ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • the transition to the globulitic (polycrystalline) Avoid stiffening, as formed by undirected growth necessarily transverse and longitudinal grain boundaries, which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.
  • 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 the rare 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.
  • 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 - IOCr-12A1 - 0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1, 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • APS atmospheric plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS vacuum plasma spraying
  • CVD chemical vapor deposition
  • 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
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 7 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of Direction of rotation about a rotation axis 102 around arranged burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 generate.
  • 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 side with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS vacuum plasma spraying
  • CVD chemical vaporation
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may have to be freed of protective layers after their use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the 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.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Fügung von Heißgaskomponenten-Segmenten (6, 7) angegeben, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen der zu fügenden Segmente (6, 7); Aufbringen von komplementären Verbindungselementen (8), aufweisend einen Lotwerkstoff zum Hochtemperaturlöten, auf die Oberfläche der Segmente (6, 7) mittels Laserstrahl-Auftragschweißen; formschlüssiges Fügen der Segmente (6, 7) mittels der Verbindungselemente (8) bei Raumtemperatur; stoffschlüssiges Fügen der Segmente (6, 7) mittels Hochtemperaturlöten.Es wird weiter eine entsprechende Heißgaskomponente (6, 7) definiert.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR FÜGUNG VON HEISSGASKOMPONENTEN-SEGMENTEN DURCH LÖTEN UND ENTSPRECHENDE HEISSGASKOMPONENTE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Heißgaskomponenten aus mehreren Segmenten sowie eine Heißgas- komponente . Turbinen können der Umwandlung von chemischer Energie eines Energieträgers in mechanische Energie dienen, wobei die chemische Energie zunächst durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt und dann mittels eines strömenden Fluids der Turbine zugeführt wird.
Eine Turbine verfügt über Lauf- und Leitschaufeln, die besonderen Belastungen, beispielsweise hohen Betriebstemperaturen und Zugspannungen in Radialrichtung, ausgesetzt sind. Diese auch als Heißgaskomponenten bezeichneten Bauteile müssen da- her aus hochbelastbaren Werkstoffen, wie beispielsweise Titan-Legierungen, Wolfram-Molybdän-Legierungen, oder insbesondere Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis gefertigt werden . Zudem ist es möglich, verschiedene Bereiche (Segmente) der
Leit- und Laufschaufeln, z. B. die Schaufelspitze, Eintrittskanten, Austrittskanten, aus dafür optimierten Werkstoffen herzustellen . Beispielsweise sollte die Schaufelspitze einer Turbinenschaufel im Vergleich zum Schaufelfuß oder Schaufelblatt aus oxi- dations- und korrosionsbeständigeren Werkstoffen hergestellt werden. Die zunächst separat gefertigten Segmente müssen anschließend mit geeigneten Fertigungstechnologien metallur- gisch miteinander verbunden werden.
Gemäß dem Stand der Technik erfolgt dies beispielsweise mittels Hochtemperaturlötens. Hierfür sind komplizierte Vorrich- tungen für die richtige Positionierung der Segmente zueinander notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Heißgaskomponenten aus mehreren Segmenten anzugeben, das ohne komplizierte Positionierungsvorrichtungen auskommt .
Heißgaskomponenten sind Bauteile, die während ihrer Verwen- dung sehr heißen Gasen ausgesetzt sind, wie z. B. Turbinen- leitschaufein und Turbinenlaufschaufeln. Sie setzen sich aus mehreren Segmenten zusammen, wie z. B. einem Grundkörper, einer Schaufelspitze, einer Eintrittskante oder einer Austrittskante .
Zur Lösung der Aufgabe wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fügung von Heißgaskomponenten-Segmenten, im Weiteren lediglich als Segmente bezeichnet, vorgeschlagen. Beispielsweise können der Grundkörper einer Turbinenleit- schaufel oder einer Turbinenlaufschaufel als ein erstes Segment und eine Schaufelspitze, Eintrittskante und/oder Austrittskante als weitere Segmente gefügt werden. Dazu werden in einem ersten Schritt die zu fügenden Segmente bereitgestellt .
Auf die Segmente werden in einem nächsten Schritt komplementäre Verbindungselemente mittels Laserstrahl - Auftragschweißens aufgebracht, d. h. das Aufbringen der Verbindungselemente auf die Oberfläche der Segmente erfolgt mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Auftragen des Werkstoffs des Verbindungselements, wobei als Wärmequelle ein Laser dient. Das aufzutragende Material kann beispielsweise in Pul- verform vorliegen und mittels eines Pulverförderers zugeführt werden . Unter einem Verbindungselement ist ein Element zu verstehen, welches zur formschlüssigen Verbindung der Segmente genutzt werden kann, indem die Verbindungselemente der Segmente zueinander komplementär ausgebildet werden, beispielsweise in Form von zueinander versetzt angeordneten Stegen oder Stiften .
Die Verbindungselemente weisen einen Lotwerkstoff auf, um ein nachfolgendes Hochtemperaturlöten zu ermöglichen und werden an der Stelle der Oberfläche der Segmente aufgebracht, an der nachfolgend die Verbindung zwischen den Segmenten hergestellt werden soll.
Beispielsweise können die Verbindungselemente eines Segments oder die Verbindungselemente mehrerer oder aller Segmente denselben Lotwerkstoff aufweisen. Es können jedoch auch unterschiedliche Lotwerkstoffe gewählt werden, um beispielsweise unterschiedlichen mechanischen Belastungen an unterschiedlichen Stellen der Verbindung gerecht werden zu können.
Alle Verbindungselemente eines, mehrerer oder aller Segmente können mit denselben Abmessungen ausgebildet werden, um deren Herstellung zu vereinfachen und zu rationalisieren. Es besteht aber auch die Möglichkeit, unterschiedliche Verbin- dungselemente zu wählen, beispielsweise, um die Verbindung der Segmente an die mechanischen Belastungen der Verbindung anzupassen .
So kann beispielsweise in einem Bereich mit hoher mechani- scher Belastung eine größere Dichte (Anzahl pro Fläche) an
Verbindungselementen vorgesehen sein, die beispielsweise auch kleiner als im Bereich mit niedrigeren mechanischen Belastungen ausgebildet sein können. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Segmente bei Raumtemperatur formschlüssig gefügt, indem die Verbindungs- elemente entsprechend zueinander positioniert werden. Unter Raumtemperatur ist hierbei die Temperatur zu verstehen, wel- che in dem Raum herrscht, in welche das formschlüssige Fügen erfolgt. Beispielsweise kann die Raumtemperatur zwischen 15 °C und 30 °C liegen. Typischerweise liegt sie zwischen 21 °C und 23 °C
In einem letzten Verfahrensschritt erfolgt das Stoffschlüssige Fügen der Segmente mittels Hochtemperaturlöten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verbindung von modular gefertigten Segmenten einer Heißgaskomponente, beispielsweise eines Leit- oder Laufschaufelgrundkörpers mit einer Schaufelspitze, Eintritts- oder Austrittskante, ohne dass eine spezielle Vorrichtung zur Positionierung der einzelnen Segmente zum Hochtemperaturlöten erforderlich ist.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen können die Verbindungs- elemente durch Auftragen von Stegen auf die Oberfläche der Segmente mittels Laserstrahl -Auftragschweißens und Einarbeiten von komplementären Formnuten auf die Oberfläche der Seg- mente aufgebracht werden, wobei die Stege einen Lotwerkstoff zum Hochtemperaturlöten aufweisen.
Unter einem Steg ist dabei ein länglicher Vorsprung mit einem über die Länge annähernd gleichbleibenden Querschnitt zu ver- stehen, welcher zunächst auf die Oberfläche der zu verbindenden Segmente an der gewünschten Verbindungsstelle oder dem gewünschten Verbindungsbereich aufgetragen wird.
In die aufgetragenen Stege werden anschließend Nuten, bei- spielsweise mittels spanender Bearbeitung, wie z. B. Fräsen oder Schleifen, eingearbeitet. Diese Nuten sind komplementär zu dem oder den Stegen des jeweils anderen Segments ausgebildet . Das formschlüssige Fügen kann anschließend beispielsweise durch Ineinanderschieben von Stegen und gegensätzlich ausgebildeten Nuten erfolgen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann als weiterer Verfahrensschritt ein Wärmebehandeln nach dem stoffschlüssigen Fügen vorgesehen sein, um eine optimierte Mikrostruktur einstellen zu können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weisen die Verbindungselemente neben einem Lotwerkstoff zum Hochtemperaturlöten den Werkstoff des Segments auf, auf dessen Oberfläche das oder die Verbindungselemente aufgebracht werden sollen. Die Ver- bindungselemente können beispielsweise aus einem Lotwerkstoff und dem Werkstoff des Segments bestehen.
Entsprechend weisen die Verbindungselemente eines ersten Segments einen Lotwerkstoff und den Werkstoff des ersten Seg- ments auf, während die Verbindungselemente eines zweiten Segments einen Lotwerkstoff und den Werkstoff des zweiten Segments aufweisen.
Beispielsweise können Verbindungselemente mit einem
schichtweisen Aufbau aus dem Werkstoff des Segments und dem Lotwerkstoff aufgetragen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, auf die Oberfläche der Segmente zunächst eine Schicht aus einem Lotwerkstoff aufzubringen, gefolgt von einer
Schicht des jeweiligen Werkstoffs des Segments und einer wei- teren Schicht aus einem Lotwerkstoff.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Werkstoffe der zu verbindenden Segmente unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Damit kann den unterschiedlichen Beanspruchun- gen der Segmente Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann für die Schaufelspitze, Eintrittskante und/oder Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel ein oxidationsbe- ständigerer Werkstoff als für den Leit- oder Laufschaufel- grundkörper ausgewählt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können eines, mehrere oder alle Segmente eine Nickelbasis-Superlegierung, beispielsweise eine SX (single crystal, Einkristall) oder DS (directional solidified, gerichtet erstarrt) Nickelbasis- Superlegierung, aufweisen.
Unter Nickelbasis-Superlegierungen werden Legierungen ver- standen, deren Hauptbestandteil Nickel ist und die eine spezielle Zusammensetzung aufweisen, welche insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Ein geeigneter Lotwerkstoff für Nickelbasis-Superlegierungen ist unter der Bezeichnung NICROBRAZ bekannt
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Turbinenlaufschaufel aus mehreren Segmenten;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Segments einer Turbinenschaufel mit aufgeschweißten Stegen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zweier Segmente nach dem Einbringen von Formnuten in die Stege;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Segmente aus Figur 3 nach dem Fügen;
Fig. 5 beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt ; Fig. 6 in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufei ; und
Fig. 7 zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine.
In den im Folgenden erläuterten Beispiel wird auf die beige- fügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist .
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Turbinenlaufschaufel 1 als Heißgaskomponente hergestellt, indem ein Grundkörper 2 einer Laufschaufei , eine Schaufelspitze 3, eine Austrittskante 4 (auch Abströmkante genannt) und eine Eintrittskante 5 (auch Anströmkante genannt) als Heißgaskomponenten- Segmente bereitgestellt und gefügt werden (Fig. 1) .
Alle Segmente sind aus einer Nickelbasis-Superlegierung gefertigt, die sich aber je nach Segment in ihrer konkreten Zusammensetzung unterscheidet, um die jeweiligen Eigenschaften der Segmente individuell festlegen zu können.
In den Figuren 2 bis 4 ist der Fügevorgang für jeweils zwei Segmente schematisch dargestellt. Vor dem Fügen werden zunächst Stege 8 mittels Laser-Auftragsschweißens auf die Ober- fläche der Segmente aufgebracht, wie in Figur 2 am Beispiel eines Segmentes 6 dargestellt ist. Hierzu erfolgt zuerst der Auftrag einer die gesamte Oberfläche im Fügebereich bedeckenden Lotschicht IIA, auf die dann abschnittsweise eine Schicht 9A aus dem Material 9 des Segments 6 und erneut eine Lot- schicht IIB aufgetragen werden. Die abschnittweise aufgetragenen Schichten 9A, IIB bilden dann die Stege 8. Im nächsten Schritt werden mittels spanender Bearbeitung Formnuten 8A, 8B in die Stege 8 eingebracht. Das spanende Bearbeiten kann dabei bspw. einen Fräsprozess und/oder einen Schleifprozess umfassen. Nach dem Einbringen der Formnuten 8A, 8B in die Stege 8 weisen die Stege 8 der Segmente 6 und 7 schließlich zueinander komplementäre Formen auf und bilden zueinander komplementäre Verbindungselemente 8, die eine Formschlüssige Verbindung der beiden Segmente 6, 7 ermöglichen .
Wie sich aus den vorangegangenen Ausführungen ergibt, weisen die Verbindungselemente 8 in einem schichtweisen Aufbau den Werkstoff des Segments 9 (Schicht 9A) und den Lotwerkstoff 11 (Schichten IIA und IIB) auf. Das erste Segment 6 aus dem Werkstoff 9 weist somit Verbindungselemente 8 mit dem Werkstoff 9 und dem Lotwerkstoff 11 auf, während das zweite Segment 7 aus dem Werkstoff 10 Verbindungselemente 8 mit dem Werkstoff 10 und dem Lotwerkstoff 11 aufweist. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Segmente 6, 7 bei Raumtemperatur formschlüssig gefügt, indem die Stege 8 mit den komplementär ausgebildeten Nuten 8A, 8B in einer lateralen Bewegung ineinander geschoben werden. Anschließende werden die Segmente 6, 7 mittels Hochtemperaturlötens Stoff- schlüssig gefügt. Das Ergebnis ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Optional kann in einem weiteren Schritt eine Wärmebehandlung erfolgen, um eine optimierte Mikrostruktur Bereich der stoffschlüssigen Fügung einzustellen. Mittels des formschlüssigen Fügens kann eine hinreichend genaue Positionierung der Segmente 6, 7 vor dem Formschlüssigen Fügen erfolgen, ohne dass hierzu komplizierte Vorrichtungen notwendig wären. Die Erfindung vereinfacht daher das Fügen von Segmenten von Heißgaskomponenten.
Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn- kammer 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 be-
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 Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Ei- sen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig 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 .
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 6 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 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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach- gebrauch 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) Er- starrung 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 Rich- tung 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 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest 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 AI.
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 - lOCr- 12A1 - 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0 , 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0,4Y-1, 5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. 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.
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 Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 7 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
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 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
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 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig 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 Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass 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 dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fügung von Heißgaskomponenten-Segmenten (6, 7), aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen der zu fügenden Segmente (6, 7),
Aufbringen von komplementären Verbindungselementen (8) , aufweisend einen Lotwerkstoff zum Hochtemperaturlöten, auf die Oberfläche der Segmente (6, 7) mittels Laserstrahl- Auftragschweißen,
- formschlüssiges Fügen der Segmente (6, 7) mittels der Verbindungselemente (8) bei Raumtemperatur,
stoffschlüssiges Fügen der Segmente (6, 7) mittels Hochtemperaturlöten .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Verbindungselemente (8) durch Auftragen von Stegen, aufweisend einen Lotwerkstoff zum Hochtemperaturlöten, auf die Oberfläche der Segmente (6, 7) mittels Laserstrahl - Auftragschweißen und Einarbeiten von komplementären Nuten in die aufgetragenen Stege aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,
weiterhin aufweisend ein Wärmebehandeln nach dem stoffschlüssigen Fügen zur Einstellung einer Mikrostruktur.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Verbindungselemente (8) den Werkstoff des Segments
(6, 7) aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4 ,
wobei Verbindungselemente (8) mit einem schichtweisen Aufbau aus dem Werkstoff des Segments (6, 7) und dem Lotwerkstoff aufgetragen werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Werkstoffe der Segmente (6, 7) unterschiedliche Zu- sammensetzungen aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei eines oder mehrere Segmente (6, 7) eine Nickelbasis- Superlegierung aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei der Grundkörper (2) einer Turbinenleitschaufel oder einer Turbinenlaufschaufel (1) als ein erstes Segment (6) und eine Schaufelspitze, Eintrittskante und/oder Austrittskante als weitere Segmente (7) gefügt werden.
9. Heißgaskomponente hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Heißgaskomponente nach Anspruch 9,
ausgebildet als Turbinenleitschaufel oder Turbinenlaufschau- fei (1) .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112912194A (zh) * 2018-10-12 2021-06-04 西门子能源全球有限两合公司 用于借助于焊接和高温钎焊接合模块化构造的热气部件的方法和被接合的部件

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018212677A1 (de) * 2018-07-30 2020-01-30 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Verbinden von Superlegierungen und Verbundkomponente

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59122703A (ja) * 1982-12-28 1984-07-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 回転機械の動翼
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
US20110058949A1 (en) * 2009-09-08 2011-03-10 Marra John J Turbine Airfoil Fabricated From Tapered Extrusions
US20140259666A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Honeywell International Inc. Methods for the repair of gas turbine engine components using additive manufacturing techniques
US20160303674A1 (en) * 2013-12-04 2016-10-20 General Electric Technology Gmbh Method for manufacturing a braze joint gap and method for brazing or soldering

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3373792D1 (en) * 1983-04-27 1987-10-29 Bbc Brown Boveri & Cie Method of joining metallic work pieces
ATE152946T1 (de) * 1992-03-02 1997-05-15 Sulzer Innotec Ag Freiformschweissen von metallstrukturen mit laser

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59122703A (ja) * 1982-12-28 1984-07-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 回転機械の動翼
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
US20110058949A1 (en) * 2009-09-08 2011-03-10 Marra John J Turbine Airfoil Fabricated From Tapered Extrusions
US20140259666A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Honeywell International Inc. Methods for the repair of gas turbine engine components using additive manufacturing techniques
US20160303674A1 (en) * 2013-12-04 2016-10-20 General Electric Technology Gmbh Method for manufacturing a braze joint gap and method for brazing or soldering

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112912194A (zh) * 2018-10-12 2021-06-04 西门子能源全球有限两合公司 用于借助于焊接和高温钎焊接合模块化构造的热气部件的方法和被接合的部件

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