Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteils
nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches. Des weiteren betrifft die Erfindung
ein wärmebelastetes Bauteil, insbesondere eine Schaufel einer Gasturbine.
Stand der Technik
[0002] Eine Steigerung der Effizienz einer Wärmekraftmaschine, z.B. einer thermischen Turbomaschine
wie einer Gasturbine, ist direkt abhängig von einer Steigerung der Verbrennungsgastemperatur
in der Brennkammer und der darauffolgenden Turbine. Trotz verbesserter hochtemperaturbeständiger
Werkstoffe, muss auch die Kühltechnik verbessert werden, um die Werkstofftemperaturen
beim Betrieb in einem sicheren Bereich zu halten. Dazu werden Kühlkanäle verwendet,
welche z.B. aus dem Verdichter mit Kühlfluid gespiesen werden. Dabei wird versucht,
einen möglichst grossen Kühleffekt bei möglichst kleinen Verlusten bezüglich der Leistung
des Gesamtsystems zu erzielen.
[0003] Die Vorderkante einer Gasturbinenschaufel ist dabei in besonderem Mass einer hohen
Temperaturbelastung ausgesetzt. Um die Materialtemperaturen zu beherrschen, d.h. zu
senken, unternimmt man erheblich Anstrengungen, die Vorderkante intensiv zu kühlen,
bzw. wärmezuisolieren, beispielsweise durch Impingementkühlung oder Filmkühlung und/oder
keramische Schutzschichten (Thermal Barrier Coating TBC).
[0004] Aus der US 6,183,198 ist die Schaufel einer Strömungsmaschine bekannt, die im wesentlichen
aus zwei Seitenwänden besteht, welche an der Vorderkante und an der Hinterkante der
Schaufel miteinander verbunden sind, so dass ein in Längsrichtung der Schaufel sich
ausdehnender Hohlraum gebildet wird. An der Vorderkante der Schaufel sind Filmkühlungslöcher
angebracht, um die Vorderkante der Schaufel zu kühlen. Eine Filmkühlung senkt jedoch
aufgrund des hohen Verbrauchs an Kühlluft die Effizienz des Prozesses.
[0005] Aus der US 6,200,092 B1 sind keramische Leitschaufeln bekannt, bei denen ein Vorderkantenelement
mit dem Hinterkantenbereich und Bändern verbunden wird. Die Vorderkantenelemente bestehen
vorzugsweise aus einer keramischen Matrix mit darin angeordneten keramischen Fasern,
die Hinterkantenelemente aus einer Keramikmatrix ohne Fasern. Solche keramischen Schaufeln
sind jedoch sehr teuer in der Herstellung, sind problematisch in der Handhabbarkeit
und sehr anfällig gegen Zugspannungen.
[0006] Aus der US 6,412,541 B2 ist ein Gussverfahren zur Herstellung von Schaufeln für Strömungsmaschinen
bekannt. Die gewünschte Form der Schaufel wird dabei mittels eines Wachsmodells und
eines polymeren Schaumes ausgeformt und diese Form mit Keramikschlicker umhüllt. Beim
Giessprozess dringt die flüssige Superlegierung in die durch den polymeren Schaum
gebildete offenporige Struktur ein, so dass eine integrale Kühlstruktur gebildet wird.
Diese offenporige Struktur kann auch auf der Aussenseite der Schaufel angeordnet werden.
In diesen Bereichen wird die Schaufel vorzugsweise mit einer keramischen Schutzschicht
versehen, um die Schaufeln in höheren Temperaturbereichen verwenden zu können. Diese
keramische Schutzschicht kann gemäss eines Beispieles auch porös ausgeführt werden,
so dass die Kühlluft an diesen Stellen aus der Schaufel austreten kann, wodurch eine
Schwitzkühlung erzielt wird.
[0007] Problematisch bei dieser Lösung ist jedoch die geringe Haftung der relativ dünnen
keramischen Schutzschicht und damit verbunden die Gefahr eines Abplatzens der dünnen
keramischen Schutzschicht. Zudem wird die offenporige metallische Trägerstruktur,
z.B. aus einer Superlegierung, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, was die
Lebensdauer der Schaufel weiter mindert.
Darstellung der Erfindung
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu
überwinden und ein Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteils bereitzustellen,
welches die Herstellung eines Bauteils mit thermisch hochbelastbaren Bereichen bei
geringen Kosten und guter Handhabbarkeit erlaubt.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gegenstände geben die abhängigen Ansprüche
wieder.
[0010] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die Ausgestaltung
von Teilen des wärmebelasteten Bauteils mit einem nichtmetallischen Körper diese Bereiche
sehr hohen Temperaturen und damit einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt werden
können. Durch das Eingiessen des nichtmetallischen Körpers in den metallischen Grundkörper
des wärmebelasteten Bauteils kann eine sichere Verbindung der zwei Komponenten garantiert
werden. Zudem kann das Bauteil so ausgestaltet werden, dass das nichtmetallische Bauteil
keine Zugspannungen aufnehmen muss, wodurch sich die Lebensdauer des Bauteils erhöht.
[0011] Durch Einsatz der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Halteelemente wird eine sichere
Befestigung des porösen thermischen Schutzkörpers erzielt, was nach den herkömmlichen
Lösungen nicht möglich ist. Indem dieser Körper porös ausgeführt ist, eröffnet sich
die Möglichkeit einer Schwitzkühlung in diesen Bereichen. Die Haltbarkeit von solchen
offenporigen porösen Schichten wurde in Versuchen für mehrere Millimeter dicke Schichten
nachgewiesen. Einerseits kann durch die grosse Schichtdicke des nichtmetallischen
Beschichtungskörpers und andererseits durch die auf dessen Offenporigkeit basierende
Schwitzkühlung eine deutliche Reduzierung des Kühlluftverbrauchs erreicht werden.
[0012] Es ist besonders zweckmässig, wenn das wärmebelastete Bauteil eine Schaufel einer
thermischen Turbomaschine ist und der nichtmetallische, poröse Körper an der Vorderkante
der Schaufel und/oder an deren Hinterkante und/oder an deren Plattform angeordnet
ist. Damit wird ein kostengünstiger Weg zur Steigerung der Effizienz von Wärmekraftmaschinen
angegeben und dies bei einem einfachen Herstellungsprozess.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0013] Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
[0014] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teilquerschnitt durch ein Schaufelblatt einer thermischen Strömungsmaschine;
- Fig. 2
- einen Teillängsschnitt durch die Vorderkante eines Schaufelblattes;
- Fig. 3
- einen Teilquerschnitt durch einen porösen nichtmetallischen Körper verbunden mit einem
metallischen Material;
- Fig. 4
- einen Teilquerschnitt durch die Vorderkante des Schaufelblattes aus Fig. 2;
- Fig. 5
- einen Teillängsschnitt durch einen keramischen Körper mit zusätzlichen Hohlräumen;
- Fig. 6
- einen Teillängsschnitt durch die Vorderkante eines Schaufelblattes;
- Fig. 7
- einen Teilquerschnitt durch die Vorderkante des Schaufelblattes aus Fig. 6;
- Fig. 8
- eine Draufsicht auf ein Schaufelblatt mit gelöstem nichtmetallischem Körper;
- Fig. 9
- einen Teillängsschnitt durch ein Schaufelblatt mit nachträglich angeordnetem nichtmetallischen
Körper.
- Fig. 10
- eine Draufsicht auf Haltelemente;
- Fig. 11
- einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen metallischem Grundkörper
mit Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
- Fig. 12
- einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen metallischem Grundkörper
mit weiteren Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
- Fig. 13
- einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen einem reparierten metallischen
Grundkörper mit Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
- Fig. 14
- einen Teilquerschnitt durch ein Schaufelblatt einer thermischen Strömungsmaschine
in einer weiteren Ausführungsform.
[0015] Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente
gezeigt. Nicht gezeigt sind beispielsweise der Schaufelfuss und das Deckband der Schaufel.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0016] In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Schaufelblatt 1 einer thermischen Strömungsmaschine
dargestellt. Das Schaufelblatt 1 weist einen Vorderkantenbereich 3, einen Hinterkantenbereich
4, eine saugseitige Wand 5 und eine druckseitige Wand 6 auf, wobei die saugseitige
5 und die druckseitige Wand 6 zumindest im Bereich der Vorderkante 3 und der Hinterkante
4 miteinander verbunden sind, wodurch ein Hohlraum 2 gebildet wird. Der Vorderkantenbereich
3 wird jeweils von den das Schaufelblatt 1 umströmenden Fluiden zuerst beaufschlagt
und ist somit hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Der Hohlraum 2 verläuft im wesentlichen
in radialer Richtung durch das Schaufelblatt 1 und dient als Kühlfluiddurchlass für
ein Kühlfluid 7.
Die Vorderkante der Schaufel wird durch einen nichtmetallischen, vorzugsweise keramischen,
Körper 8 gebildet, der vorzugsweise eine offene Porosität aufweist. Dieser keramische
Körper 8 ist über Haltestrukturen 9 mit dem Schaufelblatt 1 verbunden. Der keramische
Körper 8 kann beispielsweise mittels Schlickerguss hergestellt werden, um eine offenporige
Porosität im keramischen Körper 8 zu e r-zeugen.
Der Schlickerguss enthält viel Wasser und / oder Binder, welche beim Sintern vergasen.
Dadurch verbleiben offenporige Hohlräume, wenn nicht dicht gesintert wird, d.h. die
Sintertemperatur nicht zu hoch ist. Der Schlickerguss kann auch zusätzlich mit Plastikkugeln,
z.B. Styropor, versetzt werden, welche beim Sintern verbrennen und so eine offenporige
Porosität erzeugen. Der Schlickerguss kann zudem gebundene Gase enthalten, die bei
hoher Temperatur zum Schäumen des Schlickers führen.
[0017] Die Herstellung von porösen Keramiken ist bekannt und gezielt einstellbare Parameter
sind Porenweite, Porengrössenverteilung und der Anteil an offener bzw. geschlossener
Porosität.
Als Material für den keramischen Körper 8 wird vorzugsweise ein Yttrium stabilisiertes
Zirkonoxid verwendet, z.B. mit einer Zusammensetzung von 2.5 Gew.-% HfO
2, 7-9 Gew.-% Y
2O
3, Rest ZrO
2 und Verunreinigungen.
Materialien aus den Gruppen der Perowskite, Spinelle, Pyrochlore und einfache Oxide
erfüllen die Basisanforderungen, die an einen als Wärmedämmschicht 8 einsetzbaren
Werkstoff gestellt werden. Diese Anforderungen sind: niedrige Wärmeleitfähigkeit,
hoher Schmelzpunkt, keine Phasenumwandlung im Bereich der Einsatztemperaturen und
einen an den metallischen Grundstoff angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Die Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten ist auf Grund der makroskopischen Haltestrukturen
jedoch nicht von der gleichen Wichtigkeit wie bei herkömmlichen Verbunden.
[0018] Es können jedoch auch nichtoxidische Keramikwerkstoffe wie z.B. Si
3N
4, SiC, C/C, usw., verwendet werden. Für Hochtemperatur-Applikationen müssen sie jedoch
gegen Oxidation geschützt werden, wobei diese Oxidationsschutzschichten wie z.B. Mullit
(3Al
2O
3"2SiO
2), Yttriumsilikate, Zirkon, usw., beispielsweise durch Plasmaspritzen aufgetragen
werden.
Es können auch Langfaserverbundsysteme verwendet werden, wobei die Matrix porös sein
kann. Solche Systeme können beispielsweise aus einer Matrix aus Mullit und aluminiumsilikatischen
Fasern bestehen, wobei das System durch druckloses Sintern und Heisspressen hergestellt
wird.
[0019] Zum Herstellen des keramischen Körpers kann auch ein PVD (Physical Vapor Deposition)
Prozess verwendet werden, welcher üblicherweise nur für dünne Schichten verwendet
wird. So bildet sich z.B. bei der Verwendung von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid
durch das PVD Verfahren eine Wärmedämmschicht aus stengelförmige ZrO
2 Kristalle aus, welche durch die weiter unten beschriebenen makroskopischen Haltestrukturen
gehalten werden.
[0020] Ein solcher keramischer Körper 8 kann an allen Stellen, welche einer hohen Temperaturbelastung
ausgesetzt sind, angeordnet werden, so auch an der Hinterkante 4 des Schaufelblattes
1 oder nicht gezeigt an den Plattformen der Schaufel.
Über Öffnungen 10 im metallischen Teil des Schaufelblatts 1 wird über den Hohlraum
2 Kühlfluid 7 zum keramischen Körper 8 geleitet. Dieses Kühlfluid kann nun über den
porösen keramischen Körper 8 aus der Vorderkante 3 austreten und erzeugt so eine Schwitzkühlung
an der Vorderkante 3. Durch den keramischen Körper wird so die Vorderkante thermisch
entlastet und eine hohe Thermoschockbeständigkeit erreicht. Weiter ist eine solche
Schaufel rekonditionierbar.
[0021] Der poröse keramische Körper 8 wird bei der Herstellung des Schaufelblattes 1, respektive
der Schaufel, durch Giessen nach dem Wachsausschmelzverfahren, als vorproduziertes
Keramikteil in die Wachsform eingebracht. Dazu werden in der Wachsform Aussparungen
angeordnet, in welche keramische Körper 8 ei n-gefügt werden können. Etwaige Hinterschneidungen
werden jeweils mit Wachs geschlossen. Danach werden die Wachsform und das Keramikteil
mit flüssiger Keramik, z.B. Keramikschlicker umhüllt. Die getrocknete Form wird wärmebehandelt
und dabei das Wachs ausgeschmolzen oder ausgebrannt. Das poröse Keramikteil 8 wird
nun von der Gussform gehalten, und diese Gussform wird mit flüssigem metallischem
Werkstoff ausgegossen. Als metallischer Werkstoff können beliebige metallische Werkstoffe
des Standes der Technik zur Anwendung kommen, die für die Herstellung von thermisch
belasteten Bauteilen verwendet werden und die gewünschten Anforderungen erfüllen.
Besonders bevorzugt werden thermisch hoch stabile Superlegierungen, z.B. Eisen-Nickel-Superlegierung
vom Typ IN 706, Nickel-Basis-Superlegierungen, Einkristall- und gerichtet erstarrbare
Legierungen usw. eingesetzt. Weitere solche Legierungen sind insbesondere IN738, IN792,
IN939, GTD111, MAR M247, CM247LC DS, CMSX-2/-3 SX, MC-2, CMSX-4/MK-4, PWA1484, usw.
[0022] Danach wird die Schaufel entformt und gegebenenfalls nachbearbeitet.
Natürlich können auch andere Gussverfahren angewendet werden, wie z.B. vorgefertigte
Gussformen, in die dann der keramische Körper eingelegt wird.
[0023] In Fig. 2, 3 und 4 ist die Vorderkante 3 des Schaufelblattes 1 im Detail dargestellt.
Der poröse keramische Körper 8 bildet die Vorderkante 3 des Schaufelblattes 1. In
der Übergangszone von saugseitiger / druckseitiger Wand zum keramischen Körper ist
diese nicht gerade, sondern mit Vorsprüngen 11 als Haltestrukturen ausgestaltet, die
auch Hinterschneidungen aufweisen können. Durch diese Verzahnung wird ein gute mechanische
Verbindung von keramischem Körper mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes 1
erzielt. Zudem wird dadurch in diesem Bereich die Rissbildung und -ausbreitung verhindert.
[0024] In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform für die mechanischen Verbindung zwischen
keramischem Körper mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes mittels Haltestrukturen
dargestellt. Bei der Herstellung des porösen keramischen Körpers 8 werden dazu Hohlräume
12 in den Bereichen angeordnet, in denen die Verbi n-dung zwischen metallischem und
nichtmetallischem Körper 8 erfolgen soll. Diese Hohlräume weisen dabei vorzugsweise
eine solche Form auf, dass sie im Übergangsbereich zum metallischen Werkstoff eine
Oeffnung 13 mit einem engeren Querschnitt aufweisen als der innere Hohlraum 14 im
Inneren des keramischen Körpers 8. Beim Giessen der Schaufel fliesst so metallischer
Werkstoff in die Hohlräume 12 des keramischen Körpers, so dass durch die Oeffnung
13 mit engerem Querschnitt als der innere Hohlraum 14 eine Hinterschneidung entsteht
und der keramische Körper nicht lösbar mit dem metallischen Teil der Schaufel verbunden
wird. Die Hohlräume 12 haben üblicherweise eine Tiefe von 0,2mm bis 10mm, insbesondere
von 0,5mm bis 10mm, wobei natürliche Poren üblicherweise eine Grösse von 0,01 mm bis
0,5 mm haben.
[0025] In Fig. 6 und 7 ist nun ein gegossenes Schaufelblatt 1 mit einem porösen keramischen
Körper 8 nach Fig. 5 dargestellt. Die Hohlräume 12 sind hier mit dem metallischen
Werkstoff des Schaufelblattes 1 ausgefüllt, wodurch sich die mechanische Verbindung
zwischen Schaufelblatt 1 und keramischem Körper 8 ergibt. Natürlich kann auch hier
der keramische Körper 8 mit Vorsprüngen 11 ausgestaltet sein, um die mechanische Verbindung
noch zu verbessern.
[0026] In Fig. 8 und 9 ist eine Möglichkeit dargestellt, um nachträglich einen porösen keramischen
Körper 8 an der Vorderkante eines Schaufelblattes anzuordnen oder einen defekten keramischen
Körper 8 entsprechend Fig. 1 bis 7 zu ersetzen. Die Hinterschneidungen bei den vorher
gezeigten Gussvarianten können hier den nachträglichen Einbau eines keramischen Körpers
8 behindern, so dass eventuell das Schaufelblatt 1 vorbearbeitet werden muss. Durch
die Ausgestaltung des Körpers 8 ist es jedoch auch möglich, dieses von der Seite her
einzuschieben und durch Vorsprünge 11 so schon eine gewisse mechanische Verbindung
mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes 1 zu erzielen. Der keramische Körper
8 kann noch zusätzlich mittels Löten an Lötpunkten 15 mit dem metallischen Grundkörper
verbunden werden. Vorzugsweise sind die Lötpunkte 15 so ausgestaltet, dass sie vorstehen
und nach dem Lötprozess teilweise abgeschliffen werden können, um die Wärmebeeinflussungszone
des Lötprozesses entfernen zu können.
Es ist jedoch auch möglich, den porösen keramischen Körper 8 durch eine nach dem Einsetzen
des Körpers 8 im metallischen Schaufelwerkstoff befestigtem Halteelement 16 zu fixieren.
Das Halteelement 16 ist dabei vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff und bevorzugt
aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie die metallische Schaufel. Es können jedoch
für die Halteelemente 16 auch andere metallische Beschichtungsmaterialien verwendet
werden. Vorzug s-weise wird MCrALY verwendet, wobei M Ni und / oder Co sein kann.
Solche MCrALY Legierungen haben beispielsweise eine Zusammensetzung von (jeweils in
Gew.-%): SV34 mit 11.8 bis 12.8% Cr, 23.5 bis 24.5% Co, 11.6 bis 12.2% Al, 2.8 bis
3% Re, 0.8 bis 1.2% Si, 0.4 bis 0.6% Y, 0.4 bis 0.6% Ta, Rest Ni und Verunreinigungen
oder SV20 mit 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, Rest Ni und Verunreinigungen
oder Haynes 214 mit 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, Rest Ni und Verunreinigungen, usw.
[0027] Die Halteelemente 16 werden z.B. am metallischen Schaufelwerkstoff angeschweisst
und greifen in Aussparungen 17 des porösen Körpers 8 ein und verhindern so mechanisch
ein Herausfallen des Körpers 8. Die Vorsprünge 11 werden dann nicht benötigt.
[0028] In den Fig. 10 bis 14 sind verschiedene Ausgestaltungen der Halteelemente 16 im Detail
dargestellt. Solche Halteelemente 16 sind im wesentlichen aus dem Stand der Technik
bekannt, beispielsweise aus der DE 100 57 187 A1. Mittels Schweiss-, Niet- oder Gussverfahren
werden diese Halteelemente auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers der Schaufel
aufgetragen.
Das Material der Halteelemente 16 kann im wesentlichen identisch zum metall i-schen
Material des Grundkörpers der Schaufel gewählt werden. Es können jedoch für die Halteelemente
auch andere metallische Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Vorzugsweise wird
MCrALY verwendet, wobei M Ni und / oder Co sein kann. Solche MCrALY Legierungen haben
beispielsweise eine Zusammensetzung von (jeweils in Gew.-%): SV34 mit 11.8 bis 12.8%
Cr, 23.5 bis 24.5% Co, 11.6 bis 12.2% Al, 2.8 bis 3% Re, 0.8 bis 1.2% Si, 0.4 bis
0.6% Y, 0.4 bis 0.6% Ta, Rest Ni und Verunreinigungen oder SV20 mit 25% Cr, 5.5% Al,
3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, Rest Ni und Verunreinigungen oder Haynes 214 mit 16% Cr, 4.5%
Al, 2.5% Fe, Rest Ni und Verunreinigungen, usw.
[0029] Die Halteelemente 16 sind so ausgestaltet, dass eine Hinterschneidung 18 erzeugt
wird. Diese Hinterschneidung wird entsprechend Fig. 11 und Fig. 13 durch ein kugelförmiges
Halteelement 16 oder nach Fig. 12 durch ein pilzförmiges Halteelement 16 erzeugt.
Diese pilzförmigen Halteelemente 16 werden durch einen Hals 21 und einen Kopf 22 gebildet,
wobei der Hals 21 einen geringeren Durchmesser aufweist als der Kopf 22. Durch diese
pilzförmige Ausgestaltung der Halteelemente 16 können Schichtdicken 19 des nichtmetallischen
Beschichtungskörpers 8 von bis zu 10 mm erzielt werden. In Fig. 10 ist eine Draufsicht
auf eine mögliche Anordnung der Halteelemente 16 auf der Oberfläche des metallischen
Grundkörpers dargestellt.
[0030] Durch die Halteelemente 16 wird eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit auf der
Oberfläche des metallischen Grundkörpers erzielt, wodurch mit dem im flüssigen Zustand
oder durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragenen nichtmetall i-sche Material des
Beschichtungskörpers 8 eine formschlüssige Verbindung erzielt wird. Durch die oben
beschriebenen Hinterschneidungen 18 verkrallt sich dabei das nichtmetallische Material
des Beschichtungskörpers mit dem metallischen Grundkörper.
[0031] Nach Fig. 13 kann das oben beschrieben Verfahren auch bei der Reparatur und Rekonditionierung
von Schaufeln zur Anwendung kommen, indem Löcher 20 im metallischen Grundkörper zuerst
aufgefüllt werden, dann die Halteelemente 16 angebracht werden und dann die nichtmetallische
Beschichtung 8 aufgebracht wird.
[0032] In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform von Halteelementen 16 dargestellt. Diese
weisen ebenfalls einen Hals 21 und einen Kopf 22 auf, der jedoch hier trapezförmig
ausgeformt ist. Der Hals 21 weist ebenfalls einen geringeren Durchmesser auf als der
trapezförmige Kopf 22. Der Hals 21 kann hier zusätzlich nicht nur einen Kopf 22 am
Ende des Halses 21 aufweisen, sondern zusätzliche Ausbuchtungen 23, mittels deren
weitere Hinterschneidungen gebildet werden. Dadurch kann bei langen Hälsen 21 die
Verkrallung zwischen nichtmetallischem Beschichtungskörper 8 und dem metallischen
Grundkörper weiter verbessert werden. Solche Halteelemente 16, wie in Fig. 6 beschrieben,
können ebenfalls aufgeschweisst, angenietet oder im Gussverfahren erzeugt werden.
[0033] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Die weiteren Ausbuchtungen 23 können natürlich auch bei der pilzförmigen
Ausgestaltung der Halteelemente 16 nach Fig. 12 im Halsbereich angeordnet werden.
Zwischen nichtmetallischem Beschichtungskörper 8 und dem metallischen Teil des Schaufelblattes
können zur Aufnahme der unterschiedlichen Dehnungen auch metallische oder nichtmetallische
Materialien angeordnet werden. So kann z.B. als Zwischenschicht ein Keramikflies oder
-gestrick mit Lot angebracht werden. Dadurch werden die unterschiedlichen Ausdehnungen
der verwendeten Materialien für den metallischen Teil der Schaufel und den nichtmetallischen
Beschichtungskörper ausgeglichen.
Bezugszeichenliste
[0034]
- 1
- Bauteil; Schaufel
- 2
- Hohlraum
- 3
- Vorderkante
- 4
- Hinterkante
- 5
- saugseitige Wand
- 6
- druckseitige Wand
- 7
- Kühlfluid
- 8
- nichtmetallischer Körper
- 9
- Haltestrukturen
- 10
- Öffnungen
- 11
- Vorsprung
- 12
- Hohlraum
- 13
- Oeffnung Hohlraum 12
- 14
- innerer Hohlraum
- 15
- Lötpunkt
- 16
- Halteelement
- 17
- Aussparung
- 18
- Hinterschneidung
- 19
- Schichtdicke
- 20
- Loch
- 21
- Hals
- 22
- Kopf
- 23
- Ausbuchtung
1. Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteiles (1) einer Wärmekraftmaschine,
wobei das Bauteil (1) Kühlkanäle (2, 10) aufweist und mittels einer Gussform hergestellt
wird,
umfassend folgende Schritte:
- Herstellung eines nichtmetallischen Körpers (8),
- Anordnen des nichtmetallischen Körpers (8) in der Gussform,
- Einbringen von geschmolzenem metallischen Werkstoff in die Gussform und
- Entfernen der Gussform.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
weiter umfassend folgende Schritte:
- Herstellung eines nichtmetallischen Körpers (8),
- Herstellen eines Wachsmodells des herzustellenden Bauteiles mit Aussparungen,
- Anbringen des nichtmetallischen Körpers an das Wachsmodell an den dafür vorgesehen
Aussparungen,
- Herstellung der Gussform durch Eintauchen des Wachsmodells mit daran angeordnetem
nichtmetallischen Körper (8) in Keramikschlicker, trocknen des Keramikschlickers und
Wärmebehandlung zum Entfernen des Wachses aus der so erhaltenen Gussform,
- Einbringen von geschmolzenem metallischen Werkstoff in die Gussform und
- Entfernen der Gussform.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der nichtmetallische Körper (8) Hohlräume (12) aufweist, welche im Gussprozess mit
metallischem Werkstoff gefüllt werden und deren Öffnung (13) einen engeren Querschnitt
aufweist als ein mit der Öffnung (13) verbundener innerer Hohlraum (14).
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der nichtmetallische Körper (8) zur Erzeugung einer Verzahnung mit dem metallischen
Teil des Bauteiles Vorsprünge und/oder Hinterschneidungen aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem nichtmetallischen Körper (8) und dem metallischen Teil des Bauteiles
(1) eine weitere Schicht zur Aufnahme von Dehnungsunterschieden angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wärmebelastete Bauteil (1) eine Leit- oder Laufschaufel ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der nichtmetallische Körper (8) an der Vorderkante (3) des Schaufelblattes (1) der
Schaufel angeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruche 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der nichtmetallische Körper ein keramischer Körper (8) ist und/oder dass der nichtmetallische
Körper (8) eine offene Porosität aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass Kühlmedium (7) durch die offene Porosität des keramischen Körpers (8) austritt, um
eine Schwitzkühlung zu erzeugen.
10. Wärmebelastetes Bauteil (1) einer Wärmekraftmaschine, wobei das Bauteil (1) Kühlkanäle
(2, 10) und einen nichtmetallischen Beschichtungskörper (8) aufweist, welcher mittels
der Kühlkanäle mit Kühlfluid versorgt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Oberfläche des metallischen Grundkörpers des Bauteiles (1) Halteelemente
(16) mit Hinterschneidungen (18) angeordnet sind und dass diese Halteelemente (16)
mit dem eine offenporige Porosität aufweisenden nichtmetallischen Beschichtungskörper
(8) umgeben sind.
11. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Halteelemente (16) einen Hals (21) und einen Kopf (22) aufweisen, und dass der
Hals (21) einen geringeren Durchmesser aufweist als der Kopf (22).
12. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hals (21) des Haltelementes (16) weitere Ausbuchtungen (23) aufweist, welche
einen grösseren Durchmesser als der Hals (21) aufweisen.
13. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wärmebelastete Bauteil (1) eine Schaufel (1) einer Turbomaschine ist.
14. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der eine offenporige Porosität aufweisende nichtmetallische Beschichtungskörper (8)
über einen sich in Längsrichtung der Schaufel (1) erstreckenden Hohlraum (2) und über
Öffnungen (10) im metallischen Grundkörper der Schaufel (1) mit Kühlfluid versorgbar
ist.
15. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der eine offenporige Porosität aufweisende nichtmetallischen Beschichtungskörper
(8) an der Vorderkante (3) und/oder der Hinterkante (4) und/oder der Plattform der
Schaufel (1) angeordnet ist.