Kühlbares Schichtsystem und Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Schichtsystems

Abstract

 Auch Schichtsysteme mit Schutzbeschichtungen für den Heißgaseinsatz müssen gekühlt werden. Jedoch ist die Kühlung vielfach nicht ausreichend, da die Kühlkanäle relativ weit von der Außenoberfläche des Schichtsystems entfernt angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßes gekühltes Schichtsystem (1) weist Kühlkanäle (10) auf, die zumindest teilweise an die Beschichtung (7) angrenzen, so dass die Beschichtung (7) direkter und besser gekühlt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein kühlbares Schichtsystem und ein Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Schichtsystems gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8.

[0002] Aus der US-PS 5,080,557 ist ein Schichtsystem bekannt, bei dem unterhalb einer Wand eine poröse Struktur angeordnet ist, durch die ein Kühlmedium strömt. Dieser Schichtaufbau ist relativ dick.

[0003] Die US-PS 5,820,337, die US-PS 5,640,767 sowie die US-PS 5,392,515 zeigen aus einem Substrat gebildete Turbinenschaufeln, bei denen unterhalb einer äußeren Wand, die dasselbe Material wie das Substrat aufweist, Kühlkanäle angeordnet sind. Die Kühlung der äußersten Beschichtung auf der äußeren Wand ist vielfach nicht ausreichend.

[0004] Die EP 1 007 271 B1 zeigt eine prallgekühlte Gasturbinenschaufel, die allerdings keine Kühlkanäle unterhalb der äußeren Wand aufweist. Durch die Erhebungen, die die äußere Wand stützen, werden keine Kühlkanäle gebildet.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Kühlung eines Schichtsystems zu verbessern.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein kühlbares Schichtsystem gemäss Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Schichtsystems gemäß Anspruch 8.

[0007] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen zur Verbesserung des gekühlten Schichtsystems aufgelistet.

[0008] Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.

[0009] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden erläutert.

[0010] Es zeigen

FIG 1

ein erstes Ausführungsbeispiel eines kühlbaren Schichtsystems,

FIG 2

ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kühlbaren Schichtsystems, und

die FIG 3, 4, 6

weitere Modifikationen des kühlbaren Schichtsystems, und

FIG 5

einen speziell ausgebildeten Kühlkanal.

[0011] Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes kühlbares Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 ist beispielsweise eine Keramik oder ein Metall, insbesondere eine Superlegierung (nickel- oder kobaltbasiert) für Gasturbinenbauteile (Turbinenschaufel, Brennkammerauskleidung,..). Auf dem Substrat 4 ist zumindest eine Beschichtung 7 aufgebracht. Die Beschichtung 7 kann eine metallische MCrAlY-Beschichtung sein, wie sie bei Gasturbinenschaufeln verwendet wird (M= Cr oder Fe oder Ni; Y= Yttrium oder Seltene Erde). Darüber hinaus kann auf der Beschichtung 7 noch eine keramische Beschichtung, beispielsweise eine Wärmedämmschicht 9 (FIG 6), aufgebracht sein.

[0012] Ausgehend von der Oberfläche 22 des Substrats 4 ist zumindest ein Kühlkanal 10 (Tunnel) zumindest teilweise innerhalb der Beschichtung 7 ausgebildet, d.h. der Kühlkanal 10 entsteht durch Entfernen von Material der Beschichtung 7 oder durch Auftragen der Beschichtung 7 unter Aussparung eines entsprechenden Hohlraums.
Somit wird der größte Teil der Umfangsfläche des Kühlkanals 10 durch die Beschichtung 7 gebildet. Die Oberfläche 22 bleibt meistens unbearbeitet.

[0013] Eine Zufuhr von einem Kühlmedium erfolgt über eine Kühlmittelzufuhr 13, die zumindest im Substrat 4 ausgebildet ist und in zumindest einen Kühlkanal 10 führt.
Die Kühlkanäle 10 sind somit in der unmittelbaren Nähe einer äußeren Oberfläche, die mit einem Heißgas 8 in Kontakt treten kann, angeordnet. So kann die Beschichtung 7, die höheren Temperaturen ausgesetzt ist als das Substrat 4, besser gekühlt werden.

[0014] Die FIG 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines kühlbaren Schichtsystems 1.
Hier sind die Kühlkanäle 10 nicht durch Kanäle innerhalb der Beschichtung 7, sondern durch Vertiefungen 23 im Substrat 4 angeordnet.
Die Beschichtung 7 bildet einen Teil der Innenfläche des Kühlkanals 10 und schließt diesen nach außen hin ab.

[0015] Ebenso ist es möglich, dass die Kühlkanäle 10 sowohl im Substrat 4 als auch in der Beschichtung 7 angeordnet sind.

[0016] FIG 6 zeigt Kühlkanäle 10 zwischen zwei Beschichtungen 7, 9. Der Kühlkanal 10 kann auch durch eine Vertiefung 23 (gestrichelt angedeutet) in der Beschichtung 7 ausgebildet sein.

[0017] Die Kühlkanäle 10 gemäss FIG 1, 6 werden beispielsweise wie folgt hergestellt.

[0018] Auf der Oberfläche 22 des Substrats 4 bzw. der Oberfläche der Beschichtung 7 werden Bahnen mit einem Füllmaterial gelegt, die im Querschnitt den herzustellenden Kühlkanälen 10 entsprechen.
Das Substrat 4 bzw. die Beschichtung 7 wird dann mit der Beschichtung 7 bzw. der Beschichtung 9 beschichtet (Plasmaspritzen, Physical Vapour Deposition (PVP), Chemical Vapour Deposition (CVD),...).
Anschließend werden die Bahnen mit dem Füllmaterial entfernt. Das Material für die Bahnen besteht beispielsweise aus Graphit, das nach der Beschichtung mit der Beschichtung 7, 9 ausgebrannt oder ausgelaugt werden kann.
Andere Materialien für das Füllmaterial sind möglich.

[0019] Für die Herstellung der Kühlkanäle 10 gemäss FIG 2 werden in die Oberfläche 22 des Substrats entsprechende Vertiefungen 23 eingebracht. Die Vertiefungen 23 werden bspw. mit einem Füllmaterial aufgefüllt, das verhindert, dass Material der Beschichtung 7 bei der Beschichtung des Substrats 4 in die Kühlkanäle 10 eindringt.
Nach der Aufbringung der Beschichtung 7 oder der Aufbringung einer äußeren Wand wird das Füllmaterial wieder entfernt, so dass die Kühlkanäle 10 entstehen.

[0020] FIG 3 zeigt die Anordnung von Kühlkanälen 10 gemäss FIG 1, 2 und 6 auf einer Oberfläche eines Bauteils 1 (Schichtsystem). Das Schichtsystem 1 ist beispielsweise eine Turbinenschaufel, die sich entlang einer radialen Richtung 16 erstreckt. Zumindest ein, bspw. aber auch alle Kühlkanäle 10 erstrecken sich in einer axialen Richtung 19 senkrecht zur radialen Richtung 16.
Die Kühlkanäle 10 können auch parallel zueinander in einem von 90° abweichenden Winkel zur radialen Achse 16 verlaufen (FIG 4), bspw. etwa parallel zur radialen Richtung 16 (0°).

[0021] Mehrere, d.h. mindestens zwei Kühlkanäle 10 können auch parallel zueinander verlaufen.

[0022] FIG 4 zeigt eine weitere Anordnungsmöglichkeit von Kühlkanälen 10 auf einer Oberfläche 22 eines Bauteils 1.
Die Kühlkanäle 10 sind hier beispielsweise in Gruppen kreuzweise zueinander angeordnet, wobei die Kühlkanäle 10 innerhalb einer Gruppe parallel zueinander verlaufen.

[0023] Andere Anordnungen von Kühlkanälen sind denkbar.

[0024] FIG 5 zeigt ein speziell ausgebildeten Kühlkanal 10, bspw. ausgehend von FIG 1.
Da der Kühlkanal 10 zumindest teilweise an die nicht dargestellte Beschichtung 7 oder an eine äußere Wand angrenzt, weist der Kühlkanal 10 des herzustellenden Schichtsystems 1 ohne Beschichtungen oder ohne äußere Wand an der Oberfläche 22 eine Öffnung 24 auf.
Der Winkel α zwischen der Oberfläche 22 und der Innenoberfläche des Kühlkanals 10 an der Öffnung 24 weist einen von 90° verschiedenen Wert auf. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal 10 gegenüber der Oberfläche 22 Hinterschneidungen 26 aufweist.
Dadurch werden bei einem hohen thermischen Gradient zwischen äußerer heißer Beschichtung 7, 9 oder der Wand und Kühlkanal 10 thermische Spannungen zwischen den Beschichtungen 7, 9 oder der Wand und dem Substrat 4 reduziert.
Ein solcher Kühlkanal 10 mit Hinterschneidungen 26 kann auch in der Beschichtung 7 angeordnet sein (FIG 6).

[0025] Ein Kühlkanal 10 mit Hinterschneidungen 26 in dem Substrat 4 wird beispielsweise mit einem Fräser 25 hergestellt, der an einem Ende kugel-, halbkugel- oder kegelförmig ausgebildet ist, hergestellt.

[0026] Zuerst wird mit dem Fräser oder einem anderen zylindrischen Bohrer ein Loch in dem Substrat 4 erzeugt, indem er in einer Bohrrichtung 29 nahezu senkrecht zur Oberfläche 22 des Substrats 4 bewegt wird. Dann erfolgt ein durch Hin- und Herbewegen des Fräsers 25 in einer Richtung 32 senkrecht zur Bohrrichtung 29, wie durch den Pfeil angedeutet, wodurch die Hinterschneidungen 26 im Substrat 4 erzeugt werden.
Die verschiedenen Stellungen des Fräsers 25 bei der Hin- und Herbewegung sind gestrichelt angedeutet.

Ansprüche

1. Kühlbares Schichtsystem (1),
bestehend aus
einem Substrat (4) und
zumindest einer Beschichtung (7) auf dem Substrat (4), wobei Kühlkanäle (10) zur Kühlung verwendet werden, wobei die Kühlkanäle (10) zumindest teilweise an die Beschichtung (7) angrenzen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zumindest teilweise innerhalb der Beschichtung (7) angeordnet ist.

2. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kühlbare Schichtsystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und
dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel von 0° zur radialen Ausrichtung (16) aufweist.

3. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kühlbare Schichtsystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und
dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel von 90° zur radialen Ausrichtung (16) aufweist.

4. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kühlbare Schichtsystem (1) sich in einer radialen Richtung (16) erstreckt, und
dass zumindest ein Kühlkanal (10) einen Winkel größer 0° und kleiner 90° zur radialen Ausrichtung (16) aufweisen.

5. Kühlbares Schichtsystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (10) sich kreuzen.

6. Kühlbares Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zwischen zwei Beschichtungen (7, 9) angeordnet ist.

7. Kühlbares Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Kühlkanal (10) zumindest eine Hinterschneidung (26) aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Schichtsystems (1) mit Kühlkanälen (10),
bei dem auf einer Oberfläche (22) des Substrats (4) oder auf einer Beschichtung (7) Bahnen aus einem Füllmaterial gelegt werden,
die den zu bildenden Kühlkanälen (10) entsprechen,
und dann in einem Folgeschritt die zumindest eine Beschichtung (7, 9) durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Füllmaterial nach dem Aufbringen der zumindest einen Beschichtung (7, 9) entfernt wird,
wodurch die Kühlkanäle (10) gebildet werden.

Zeichnung