Keramisches Gussformteil mit verschiedenen Schrumpffaktoren und Gußverfahren

Abstract

 Durch die Verwendung eines Materials mit unterschiedlichem Schrumpfverhalten, insbesondere durch Fasern (16), kann kontrolliert die Schrumpfung eines keramischen Gussformteils (4) eingestellt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft keramische Gussformteile, die Bereiche mit unterschiedlichem Schrumpfverhalten aufweist und ein Gußverfahren.

[0002] Keramische Gussformteile werden verwendet beim Herstellen von metallischen Gussbauteilen, die insbesondere auch hohl sein können, wie es zum Beispiel der Fall ist bei gekühlten Turbinenschaufeln. Die hohlen Bereiche dieser Bauteile werden durch keramische Körper (Fachbegriff Gießkerne) dargestellt, die in einer keramischen Gussschale eingearbeitet sind.

[0003] Die keramischen Körper werden aus einem keramischen Precursor (keramischen Vorform = Grünling) hergestellt, welcher durch einen Gieß- und Spritzvorgang erzeugt wird, wobei in den einzelnen Herstellungsschritten eine Schrumpfung des Material erfolgt.

[0004] Insbesondere in dünnen Bereichen muss die Schrumpfung sehr kontrolliert erfolgen. Dies ist insbesondere der Fall bei gekühlten hohlen Turbinenschaufeln, bei denen sich die Menge des Durchflusses des Kühlmittels durch die inneren Querschnitte innerhalb der Turbinenschaufel bestimmt, die wiederum durch die äußere Gussform und/oder durch den inneren keramischen Gießkern bestimmt wird.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem der Schrumpfung zu lösen.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Gussformteil gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7.

[0007] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0008] Es zeigen

Figur 1 - 3

schematisch eine Darstellung der Erfindung;

Figur 4

eine Turbinenschaufel;

Figur 5

eine Gasturbine und

Figur 6

eine Liste von Superlegierungen.

[0009] Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

[0010] In Figur 1 ist ein keramisches Gussformteil 4 gezeigt. Das keramische Gussformteil 4 dient vorzugsweise zur Herstellung von Bauteilen für eine Gasturbine 100 (Fig. 5). Dies sind insbesondere Turbinenschaufeln 120, 130 (Figur 4), die insbesondere hohl gegossen sind und die insbesondere durch Kühlluft im Betrieb über die Austrittskante 412 (Fig. 4) des Blattes 406 (Fig. 4) gekühlt werden sowie insbesondere ein Material aus einer Nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, insbesondere gemäß Figur 6 aufweisen.

[0011] Die keramische Gussschale 23 als ein Beispiel für ein keramisches Gussformteil 4 weist einen Hohlraum 22 auf, in dem ggf. ein keramischer Gießkern 19 verwendet wird (Fig. 3).

[0012] Zwischen Gussschale 23 und Gießkern 19 wird eine Schmelze eingebracht.

[0013] Die keramische Gussschale 23 ist hier vorzugsweise in zwei Bereiche 7, 10 aufgeteilt, wobei die Anzahl dieser Bereiche keinerlei Beschränkung unterworfen ist und sich nicht auf mehrlagige Gussformen (siehe EP 1266706 A1 oder allgemein: innen: reaktionsarmes, außen mechanisch stabiles Material) bezieht oder die Bereiche 7, 10 entsprechen dann einer Lage einer solchen Form.

[0014] Ebenso kann die Idee auf einen Gießkern 19 angewendet werden, der nicht mehrlagig aufgebaut ist (Fig. 3), sondern nur massiv ist.

[0015] Nur beispielhaft erläutert ist der Bereich 10, 10' im Bereich der Abströmkante 412 einer hohlen Turbinenschaufel 120, 130, aus dem ein Kühlmedium austritt, die den Massenstrom eines Kühlmediums bestimmt, der besonders genau eingestellt werden muss.

[0016] Daher weist der Niedrigschrumpfbereich 10, 10' ein anderes Material auf als der Bereich 7.

[0017] Das Material des Niedrigschrumpfbereichs 10 weist daher ein geringeres Schrumpfverhalten auf.

[0018] Dies kann insbesondere durch die in Inkorporation von einer Sekundärphase, insbesondere von Fasern 16, 16', 16" erfolgen (Fig. 2).

[0019] Insbesondere mit dem Gießkern 19 werden die Querschnitte der Kühllöcher der Abströmkante 412 einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 4) bestimmt. Diese müssen sehr genau hergestellt werden, um den gewünschten Durchfluss zu erreichen. Daher stellt insbesondere der Teil des Gießkerns 19 den Niederschrumpfbereich 10' dar, der diese Kühlluftlöcher bestimmt.

[0020] Das keramische Gussformteil 4 weist eine Längsrichtung 13, 13' auf, die vorzugsweise der Erstarrungsrichtung einer Schmelze in einer Gussform mit dem Gussformteil 4 entspricht. Entlang dieser Längsrichtung 13, 13' sind in dem Bereich 10, 10' Fasern 16, 16', 16", ... vorhanden.

[0021] Das Matrixmaterial des Niedrigschrumpfbereichs 10 kann völlig verschieden sein oder dasselbe Matrixmaterial wie für den anderen Bereich 7 aufweisen, aber Sekundärmaterial wie Fasern 16, 16', 16" als Sekundärmaterial beinhalten. Die Fasern 16, 16', 16" beeinflussen das Schrumpfverhalten positiv, d. h. sie führen zu einem geringeren Schrumpfverhalten.
Ebenso können Fasermatten verwendet werden.

[0022] So können Gussteile mit den Gussformteilen 4, 19, 23 kontrolliert hergestellt werden. Es sind wenige oder keine Iterationen zur optimierten Gussform notwendig. Ebenso müssen bestehende Gussformelemente oder Kernwerkzeuge nicht modifiziert werden.

[0023] Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

[0024] Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

[0025] 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.

[0026] Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).

[0027] Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).

[0028] Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

[0029] Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

[0030] Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.

[0031] 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.

[0032] Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

[0033] Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] 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).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.

[0037] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (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.

[0038] Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.

[0039] Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).

[0040] Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10A1-0,6Y 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-10A1-0,4Y-1,5Re.

[0041] Auf der MCrAlX 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.

[0042] Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0043] 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.

[0044] 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 Oxidationsschichten 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.

[0045] 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.

[0046] Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.

[0047] 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.

[0048] 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.

[0049] Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

[0050] 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.

[0051] 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.

[0052] An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).

[0053] 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 Brennkammer 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.

[0054] 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 belastet.

[0055] Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.

[0056] Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).

[0057] Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.

[0058] 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.

[0059] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (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, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). 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.

[0060] Auf der MCrAlX kann noch eine 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.

[0061] Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0062] Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.

Ansprüche

1. Keramisches Gussformteil (4),
das zumindest zwei Bereiche (7, 10) aufweist,
wobei zumindest ein Niedrigschrumpfbereich (10) ein anderes Material aufweist als der andere Bereich (7),
wobei die Bereiche (7, 10) zu derselben Schicht gehören, wenn das Gussformteil (4) mehrlagig aufgebaut ist.

2. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1,
das einem Gießkern (19) mit zwei Bereichen (7, 10) entspricht.

3. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1,
das einen Hohlraum (22) aufweist,
insbesondere eine Gussschale (23) darstellt.

4. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Material des Niedrigschrumpfbereichs (10) Fasern (16) aufweist.

5. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Matrixmaterial des Niedrigschrumpfbereichs (10) dem Material oder dem Matrixmaterial des anderen Bereichs (7) entspricht.

6. Keramisches Gussformteil nach Anspruch 4 oder 5,
bei dem das keramische Gussformteil (4) eine Längsrichtung (13) aufweist und die Fasern (16) in der Längsrichtung (13) verlaufen,
wobei die Längsrichtung (13) vorzugsweise einer Erstarrungsrichtung einer Schmelze in einer Gussform mit dem Gussformteil (4) entspricht.

7. Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils (120, 130, 155),
bei dem zumindest ein Gussformteil (4, 19 ,23) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche verwendet wird.

Zeichnung