[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen
Bauteils, insbesondere einer hohlgegossenen Turbinenschaufel, mit Innenbeschichtung
an den Wänden mindestens eines Hohlraums.
[0002] Thermisch hochbelastete Bauteile können an ihrer Außenseite mit einer Beschichtung
versehen werden, um sie im thermisch belastenden Umfeld gegen Korrosion und/oder Oxidation
zu schützen. Als Schutz gegen Oxidation und/oder Korrosion sind dabei insbesondere
MCrAlY-Beschichtungen geeignet. Unter einer MCrAlY-Beschichtung soll im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung eine Beschichtung aus einer metallischen Legierung zu verstehen
sein, die Chrom (Cr) und Aluminium (Al) umfasst, und in der Y für Yttrium oder ein
Element der seltenen Erden und M für Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) stehen.
[0003] Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind aber auch die Innenwände im thermisch hochbelastenden
Umfeld betriebener hohlgegossener Bauteile Temperaturen ausgesetzt, die einen Schutz
der Innenwände gegen Oxidation und/oder Korrosion notwendig machen, damit das Bauteil
die vorgesehene Lebensdauer auch tatsächlich erreicht.
[0004] Ein Beispiel für derart thermisch hoch belastete hohlgegossene Bauteile sind Turbinenbauteile,
insbesondere Turbinenschaufeln. Turbinenschaufeln sind im Betrieb hohen Temperaturen
ausgesetzt und weisen in der Regel Hohlräume auf, durch die Kühlfluid geleitet wird.
Bei bestimmten Betriebsbedingungen können in diesen Hohlräumen Temperaturen auftreten,
die einen Schutz der Innenwände gegen Oxidation und/oder Korrosion erfordern.
[0005] Bisher wurden die Innenwände hohlgegossener Bauteile durch eine Diffusionsalitierung
mehr oder weniger zufriedenstellend geschützt. Mit zunehmenden Betriebstemperaturen
erreichen diese Alitierungen jedoch ihre Grenzen, und gegen Korrosion sind sie praktisch
wirkungslos.
[0006] Mit herkömmlichen Methoden ist es nahezu unmöglich, in den zum Teil recht komplizierten
Hohlräumen bzw. Innenräumen hohlgegossener Bauteile, etwa in den Hohlräumen von Turbinenschaufeln,
insbesondere wirkungsvolle MCrAlY-Beschichtungen aufzubringen. Für das Beschichten
der Innenwände hohlgegossener Bauteile lassen sich Spritzprozesse nicht zufriedenstellend
einsetzen.
[0007] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen,
mit dem sich Innenbeschichtungen, insbesondere MCrAlY-Innenbeschichtungen, bei hohlgegossenen
Bauteilen auch bei komplexen Hohlräumen realisieren lassen.
[0008] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbessertes
hohlgegossenes Turbinenbauteil zur Verfügung zu stellen.
[0009] Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe
durch ein hohlgegossenes Turbinenbauteil nach Anspruch 7 gelöst.
[0010] Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils mit Innenbeschichtung
in mindestens einem Hohlraum wird das Bauteil aus einem Basismaterial gegossen. Beim
Gießen findet eine Gießform Verwendung, welche mindestens einen Gusskern zum Definieren
des mindestens einen Hohlraumes umfasst. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Beschichtungsmaterial
für die Innenbeschichtung des Bauteils vor dem Gießen des Bauteils auf mindestens
einen Gusskern aufgebracht. Nach dem Gießen wird der Gusskern dann wieder aus dem
Hohlraum entfernt.
[0011] Erfindungsgemäß wird also zuerst die Innenbeschichtung hergestellt, und dann das
Bauteil darum herumgegossen. Auf diese Weise können auch äußerst komplexe Hohl- bzw.
Innenräume von Bauteilen, etwa von hohlgegossenen Gasturbinenschaufeln, mit einer
Innenbeschichtung, insbesondere mit einer MCrAlY-Innenbeschichtung, versehen werden.
Das Material des Gusskerns ist dabei derart gewählt ist, dass es sich aus dem Hohlraum
des fertigen Bauteils entfernen lässt, ohne dass das Beschichtungsmaterial mit entfernt
wird.
[0012] Als Materialien für den Gusskern eignen sich insbesondere solche Materialien, die
sich mittels chemischer Verfahren, welche das Beschichtungsmaterial und das Basismaterial
des Bauteils nicht angreifen, aus dem Hohlraum entfernen lassen. Bspw. lassen sich
keramische Gusskerne herstellen, die mittels einer geeigneten Lauge, welche eine MCrAlY-Beschichtung
sowie das Basismaterial von Turbinenbauteilen nicht angreift, aus Hohlräumen der Turbinenbauteile
entfernt werden. Als Materialen für Gusskerne zum Gießen von Turbinenbauteilen, wie
etwa Turbinenschaufeln, eignen sich daher insbesondere keramische Werkstoffe.
[0013] Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gießtemperatur beim Abguss des Bauteils insbesondere
so gewählt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials liegt,
um ein Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials während des Gießprozesses, und damit
eine Vermischung mit dem Basismaterial des Bauteils zu unterbinden.
[0014] Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf den Gusskern kann beispielsweise mittels
hochenergetischer Spritzverfahren wie etwa dem Hochgeschwindigkeitsflammspitzen (engl.
High Velocity Oxygen Fuel Spraying, kurz: HVOF) oder Plasmaspritzen (kurz: APS) erfolgen.
[0015] Eine erfindungsgemäße hohlgegossene Turbinenschaufel weist mindestens einen Hohlraum
und eine im Hohlraum vorhandene Innenbeschichtung, insbesondere eine MCrAlY-Beschichtung
auf.
[0016] Aufgrund der Innenbeschichtung des hohlgegossenen Turbinenbauteils weist dieses gegenüber
hohlgegossenen Turbinenbauteilen nach Stand der Technik eine verbesserte Oxidations-
und Korrosionseigenschaft auf. Es kann daher höheren Temperaturen ausgesetzt werden.
[0017] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf
die beiliegende Figur.
[0018] Fig. 1 zeigt ein hohlgegossenes Turbinenbauteil in einer schematischen Darstellung.
[0019] Figuren 2 - 7 zeigen in einer stark schematisierten Darstellung verschiedene Stadien
der Herstellung der hohlgegossenen Turbinenschaufel.
[0020] In Figur 1 ist schematisch eine hohlgegossene Turbinenschaufel 1 in einer Schnittansicht
dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelkörper 2, in welchem im
vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Hohlräume 3, 5, 7, 9 ausgebildet sind, die bspw.
zum Durchleiten von Kühlluft verwendet werden. Der Schaufelkörper 2 weist eine Außenfläche
12 auf, die zum Schutz gegen Oxidation und/oder Korrosion mit einer MCrAlY-Beschichtung
versehen ist. Daneben weist der Schaufelkörper 2 Innenflächen 4, 6, 8, 10 auf, welche
die Hohlräume 3, 5, 7, 9 begrenzen und die Innenwände der Hohlräume bilden. Die Innenflächen
4, 6, 8, 10 sind ebenfalls mit einer MCrAlY-Beschichtung 14, 16, 18, 20 versehen,
um auch sie gegen Oxidation und/oder Korrosion zu schützen.
[0021] Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen der mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen
Turbinenschaufel 1 anhand der Figuren 2 bis 7 erläutert. Das Verfahren kann jedoch
auch zum Innenbeschichten anderer hohlgegossener Bauteile Verwendung finden.
[0022] Als erstes wird ein keramischer Gusskern 22 für die Gießform zum Herstellen der Turbinenschaufel
geformt und gesintert Fig. 2). Im nächsten Schritt (Fig. 3) wird eine MCrAlY-Beschichtung
14 auf den keramischen Gusskern 22 aufgebracht. Dazu kann beispielsweise ein hochenergetisches
Spritzverfahren, etwa Hochgeschwindigkeitsflammspitzen (HVOF) oder Plasmaspritzen
(APS), zum Einsatz kommen. Die Dicke, mit der die MCrAlY-Beschichtung 14 auf den Gusskern
aufgetragen wird, hängt dabei von der Dicke ab, mit der die Innenwände der Turbinenschaufel
beschichtet werden sollen.
[0023] Nachdem der Gusskern beschichtet worden ist, wird ein Wachsmodell 24 der Turbinenschaufel
an den Gusskern 22 angespritzt (Fig. 4). Anschließend wird die äußere Gussschale 26
der Form auf das Wachsmodell 24 aufgebracht. Danach wird das Wachs ausgebrannt und
die Gussschale 26 gesintert, um die Gießform 28 fertigzustellen (Fig. 5).
[0024] Nachdem die Gießform 28 fertiggestellt ist, erfolgt das Gießen der Turbinenschaufel
1 im Vakuum. Das Gießen der Turbinenschaufel findet typischerweise bei Abgusstemperaturen
von unter 1500 °C statt. Der Schmelzpunkt der MCrAlY-Beschichtung 14 liegt dagegen
typischerweise oberhalb von 1600 °C. Ein Aufschmelzen der Beschichtung 14 während
des Gießprozesses und damit ein Vermischen des Beschichtungsmaterials mit dem Basismaterial
der Turbinenschaufel 1 findet daher nicht statt. Auch bei Verwendung anderer Beschichtungen
als der MCrAlY-Beschichtung müssen die Gießtemperaturen unterhalb der Schmelztemperatur
des Beschichtungsmaterials liegen, wenn ein Aufschmelzen der Beschichtung und ein
Vermischen mit dem Basismaterial vermieden werden soll.
[0025] Nach dem Abschluss des Gießens wird die Gussschale 26 abgeschlagen und die Schaufel
1 gereinigt (Fig. 6). Schließlich wird der Gusskern 22 ausgelaugt, d.h. der keramische
Gusskern 22 wird mittels einer Lauge aus der erstarrten Turbinenschaufel 1 entfernt.
Da die MCrAlY-Beschichtung 14 genauso wie der Schaufelwerkstoff gegen die verwendeten
Laugen resistent ist, verbleibt die MCrAlY-Beschichtung 14 beim Auslaugen des keramischen
Gusskerns 22 auf der Innenseite der Turbinenschaufel 1 (Fig. 7). Im Folgenden kann
die so hergestellte Turbinenschaufel in üblicher Weise mechanisch bearbeitet und außen
beschichtet werden.
[0026] Das beschriebene Verfahren eignet sich nicht nur zum Innenbeschichten von Turbinenschaufeln,
sondern grundsätzlich auch zum Innenbeschichten anderer hohlgegossener Bauteile. Ebenso
ist es möglich, das Verfahren zum Aufbringen anderer Beschichtungen als MCrAlY-Beschichtungen
zu nutzen. Auch braucht der Gusskern nicht notwendigerweise aus einer keramischen
Werkstoff hergestellt zu sein. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass das der
Gusskern entfernt werden kann, ohne dass die auf die Innenseite des Werkstückes aufgebrachte
Beschichtung mit entfernt wird.
[0027] Bei den Werkzeugen zur Herstellung der Gusskerne bzw. der Wachsmodelle ist zu beachten,
dass diese um die Dicke der Schutzschicht korrigiert werden müssen, um die spezifizierten
Wanddicken des hohlgegossenen Bauteils zu gewährleisten.
1. Verfahren zum Herstellen eines hohlgegossenen Bauteils (1), insbesondere eines hohlgegossenen
Turbinenbauteils, mit Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) in mindestens einem Hohlraum
(3, 5, 7, 9), bei dem
- das Bauteil (1) aus einem Basismaterial gegossen wird,
- beim Gießen eine Gießform, welche mindestens einen Gusskern (22) zum Definieren
des mindestens einen Hohlraumes (3, 5, 7, 9) umfasst, Verwendung findet, und
- der Gusskern (22) nach dem Gießen aus dem Hohlraum (3, 5, 7, 9) entfernt wird
dadurch gekennzeichnet,
dass das Beschichtungsmaterial für die Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) des Bauteils
(1) vor dem Gießen auf mindestens einen Gusskern (22) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Material für den Gusskern (22) ein Material Verwendung findet, das sich mittels
eines chemischen Verfahrens, welches das Beschichtungsmaterial und das Basismaterial
des Bauteils (1) nicht angreift, aus dem Hohlraum (3, 5, 7, 9) entfernen lässt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Material für den Gusskern (22) ein keramischer Werkstoff Verwendung findet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gießtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Innenbeschichtung (14, 16, 18, 20) eine MCrAlY-Beschichtung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf den Gusskern (22) ein hochenergetisches
Spritzverfahren zum Einsatz kommt.
7. Hohlgegossenes Turbinenbauteil (1) mit mindestens einem in einer Schnittansicht geschlossenen
Hohlraum (3, 5, 7) und einer im geschlossenen Hohlraum (3, 5, 7) vorhandenen MCrAlY-Innenbeschichtung
(14, 16, 18).
1. Method for producing a hollow cast component (1), in particular a hollow cast turbine
component, having an inner coating (14, 16, 18, 20) in at least one cavity (3, 5,
7, 9), in which
- the component (1) is cast from a base material,
- a casting mold, which comprises at least one mold insert (22) for defining at least
one cavity (3, 5, 7, 9) is used for the casting, and
- the mold insert (22) is removed from the cavity (3, 5, 7, 9) after the casting,
characterized in that
the coating material for the inner coating (14, 16, 18, 20) of the component (1) is
applied to at least one mold insert (22) before the casting.
2. Method according to claim 1,
characterized in that
a material which can be removed from the cavity (3, 5, 7, 9) by means of a chemical
method which does not attack the coating material and the base material of the component
(1) is used as the material for the mold insert (22).
3. Method according to claim 1 or 2,
characterized in that
a ceramic material is used as the material for the mold insert (22).
4. Method according to one of claims 1 to 3,
characterized in that
the casting temperature is lower than the melting temperature of the coating material.
5. Method according to one of claims 1 to 4,
characterized in that
the inner coating (14, 16, 18, 20) is an MCrAlY coating.
6. Method according to claim 5,
characterized in that
a high-energy spray method is used for applying the coating material to the mold insert
(22).
7. Hollow cast turbine component (1) having at least one cavity (3, 5, 7) in a sectional
view which is closed and an MCrAlY inner coating (14, 16, 18) present in the closed
cavity (3, 5, 7).
1. Procédé de production d'un élément (1) coulé creux, notamment d'un élément de turbine
coulé creux, ayant un revêtement (14, 16, 18, 20) intérieur dans au moins une cavité
(3, 5, 7, 9), dans lequel
- on coule l'élément (1) en une matière de base,
- lors de la coulée, on utilise une lingotière de coulée qui comprend au moins un
noyau (22) de coulée pour définir au moins une cavité (3, 5, 7, 9) et,
- on enlève de la cavité (3, 5, 7) le noyau (2) de coulée après la coulée,
caractérisée,
en ce que avant la coulée, on dépose la matière de revêtement pour le revêtement (14, 16, 18,
20) intérieur de l'élément (1) sur au moins un noyau (22) de coulée.
2. Procédé de production d'un élément selon la revendication (1),
caractérisé,
en ce que l'on utilise comme matière pour le noyau (22) de coulée, une matière qui peut être
éliminée de la cavité (3, 5, 7, 9) au moyen d'un procédé chimique qui n'attaque pas
la matière de revêtement et la matière de base de l'élément (1) .
3. Procédé de production d'un élément selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé,
en ce que l'on utilise un matériau céramique comme matière pour le noyau (22) de coulée.
4. Procédé de production d'un élément selon la revendication 1 à 3,
caractérisé,
en ce que la température de coulée est inférieure au point de fusion de la matière de revêtement.
5. Procédé de production d'un élément selon la revendication 1 à 4,
caractérisé,
en ce que le revêtement (14, 16, 18, 20) intérieur ait un revêtement en McrAly.
6. Procédé de production d'un élément selon la revendication 5,
caractérisé,
en ce que pour le dépôt de la matière de revêtement sur le noyau (22) de coulée, on utilise
un procédé de projection à grande énergie.
7. Elément (1) de turbine coulé creux ayant au mois, en vue en coupe, une cavité(3, 5,
7) fermée et un revêtement (14, 16, 18) intérieur en McrAly présent dans la cavité
(3, 5, 7) fermée.