Gussform mit stabilisiertem inneren Gusskern, Gussverfahren und Gussteil

Abstract

 Durch eine Beschichtung eines Kerns (4) einer Gussform (1) kann zum Einen der Kern (4) mechanisch stabilisiert werden und eine Innenbeschichtung des zu gießenden Bauteils erzielt werden, wobei die Beschichtung vorzugsweise als Korrosionsschutzschicht dient.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gussform mit stabilisierender Schicht auf dem inneren Kern einer Gussform, ein Gussverfahren und ein Gussteil.

[0002] Beim Gießen werden oft Kerne in eine bereits vorhandene, insbesondere keramische Form eingesetzt, um hohle Bauteile abzugießen, oder es werden wie beim Feingussprozess Kerne in ein Wachswerkzeug eingelegt und ein Wachsmodell mit dem keramischen Kern erzeugt, was wiederum zur Erzeugung einer keramischen Form benutzt wird, in welche dann der keramische Kern eingebunden ist. Oft ist der dünne Kern nicht ausreichend mechanisch stabil, was zum Bruch des Kerns bei der Gussformherstellung oder beim eigentlichen Gussprozess führen kann.

[0003] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.

[0004] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gussform mit einem inneren Kern, der stabilisiert ist, gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und ein Gussteil gemäß Anspruch 11.

[0005] In den Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0006] Es zeigen:

Figur 1, 2

eine schematische Darstellung der Erfindung,

Figur 3

eine Turbinenschaufel,

Figur 4

eine Brennkammer,

Figur 5

eine Liste von Superlegierungen.

[0007] Die Erfindung und Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

[0008] In Figur 1 ist eine vorzugsweise keramische Gussform 1 mit einer äußeren Wand 13 und einem inneren Kern 4 dargestellt. Der Kern 4 kann separat ausgebildet sein oder integraler Bestandteil der Gussform 1 sein.

[0009] Die Gussform 1 wird vorzugsweise für eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 3), also ein hohles Bauteil einer Gasturbine 100 (Fig. 2) verwendet.

[0010] In die Gussform 1 mit der äußeren Wand 13 wird ein innerer, insbesondere keramischer Kern 4 eingesetzt oder ist dort vorhanden, der 4 eine mechanisch stabilisierende, metallische Schicht 7 aufweist.

[0011] In den Hohlraum 10 zwischen äußerer Wand 13 und Kern 4 wird dann eine Schmelze aus einem Metall des herzustellenden Gussteils eingebracht. Das Metall ist vorzugsweise eine Legierung gemäß Figur 5.

[0012] Die metallische Schicht 7 auf dem Kern 4 stabilisiert den Kern 4 mechanisch, da das Metall der Schicht 7 Festigkeit und Duktilität aufweist.

[0013] Darüber hinaus wird die Zusammensetzung der Schicht 7 so gewählt, dass die Schicht 7 beim Einfahren der Schmelze aufschmilzt und sie beim Erstarren der Schmelze 16 in das spätere Gussteil größtenteils, insbesondere vollständig hineindiffundiert ist.

[0014] Der Unterschied in den Schmelzpunkten von Schmelze und Material der Schicht 7 beträgt vorzugsweise mindestens 10°C, ganz insbesondere mindestens 20°C.

[0015] Die Schicht 7 kann also eine Aluminiumbeschichtung oder Aluminiumlegierung sein.

[0016] Ebenso vorteilhaft ist eine MCrA1(X)-Beschichtung, vorzugsweise mit Rhenium, wobei M für Nickel (Ni) und/oder Kobalt (Co) steht und X = Yttrium ist.

[0017] Der Chromgehalt liegt dann vorzugsweise über 15wt%.

[0018] Der Aluminiumgehalt liegt vorzugsweise zwischen 7wt% und 18wt%.

[0019] Der Nickelgehalt liegt vorzugsweise über 25% und der Kobaltgehalt vorzugsweise über 10%.

[0020] Darüber hinaus können vorzugsweise Elemente wie Yttrium (0,2% bis 1%), Kohlenstoff (50ppm-250ppm), Bor (0,007%-0,012%), Zirkon (0,015%-0.012%) oder Hafnium (0,1%-1,5%) zur Schmelzpunkterniedrigung der metallischen Schicht 7, vorzugsweise der MCrA1(X)-Schicht vorhanden sein.

[0021] Die Zugabe von Yttrium (Y) ist bevorzugt.

[0022] Kohlenstoff (C), Bor (B), Zirkon (Zr) und Hafnium (Hf) dienen zur Schmelzpunkterniedrigung.

[0023] Ebenso können Bestandteile einer Superlegierung wie Titan (Ti) (0,5%-4,0%), Molybdän (Mo) (0,5%-3,0%), Tantal (Ta) (0,5%-2,0%) oder Niob (Nb) 0,5%-2,0%) zur Festigkeit und/oder zur Schmelzpunkterniedrigung in der Schicht 7 beitragen.

[0024] Die metallische Schicht 7 kann vorzugsweise durch Tauchprozesse, durch Aufpinseln, Sprühprozesse (kalt, heiß) auf den Gusskern 4 aufgebracht werden.

[0025] Der Bereich 19 des Gussteils 17, 120, 130 stellt den eindiffundierten Bereich des Materials der Schicht 7 im Hohlraum 22 des Gussteils dar (Fig. 2).

[0026] Darüber hinaus erhält das Gussteil 17, 120, 130 durch die Eindiffundierung der Schicht 7 im Innern einen Oxidationsschutz.

[0027] Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

[0028] Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

[0029] 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.

[0030] Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).

[0031] Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).

[0032] Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

[0033] Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

[0034] Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.

[0035] Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

[0036] Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

[0037] Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

[0038] 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.

[0039] Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

[0040] Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).

[0041] Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.

[0042] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrA1X; 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 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.

[0043] Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.

[0044] Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).

[0045] Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11A1-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.

[0046] Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

[0047] Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0048] 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.

[0049] 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.

[0050] Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung 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.

[0051] 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.

[0052] 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.

[0053] Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.

[0054] 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 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.

[0055] Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

[0056] Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0057] 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.

[0058] Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, 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 der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Ansprüche

1. Gussform nach Anspruch 3, 4 oder 5,
bei dem der Aluminiumgehalt der metallischen Beschichtung (7) oder der MCrAl(X)-Legierung zwischen 7wt% und 18wt% liegt,
insbesondere zwischen 13wt% und 18wt%.

7. Gussform nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem die metallische Beschichtung (7) Elemente wie Yttrium (Y), Kohlenstoff (C),
sowie Bor (B), Zirkon (Zr) und/oder Hafnium (Hf) zur Schmelzpunkterniedrigung aufweist.

8. Gussform nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem die Schicht (7) Titan (Ti), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) und/oder Niob (Nb) zur Schmelzpunkterniedrigung aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Gussteils,
bei dem eine Gussform (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
bei dem eine Schmelze in die Gussform (1) eingegossen und erstarren gelassen wird
und die Schicht (7) von dem Gusskern (4) in das Gussteil größtenteils,
insbesondere mindestens zu 80%,
ganz insbesondere vollständig eindiffundiert ist.

11. Gussteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10.

Zeichnung