DE102011055246A1

DE102011055246A1 - Komponenten mit einspringend ausgebildeten Kühlkanälen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102011055246A1
Application number: DE102011055246A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Hammond Mitchell Nile; Bin Wei
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: US20120111545A1; CN102536332B; FR2967168A1; US8387245B2; FR2967168B1; JP2012102732A; US20130140007A1; JP5941266B2; CN102536332A; DE102011055246B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente (100) zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer oder mehrerer Nuten (132) in einer Oberfläche (112) eines Substrats (110), wobei das Substrat zumindest einen hohlen Innenraum (114) aufweist. Jede Nut verläuft zumindest zum Teil entlang der Oberfläche des Substrats und verfügt über einen Boden (134) und eine Oberseite (136). Der Boden ist breiter als die Oberseite, so dass jede Nut eine hinterschnittene ausgebildete Nut (132) ist. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden von einem oder mehreren Zugangslöchern (140), die durch den Boden (134) einer entsprechenden Nut verlaufen, um diese Nut strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden hohlen Innenräumen zu verbinden, sowie das Aufbringen einer Beschichtung (150) auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats. Durch die Nut(en) und die Beschichtung werden ein oder mehrere Kanäle (130) zum Kühlen der Komponente definiert. Es werden außerdem eine Komponente (100) mit einem oder mehreren einspringend ausgebildeten Kanälen (130) sowie ein Verfahren zur Beschichtung einer Komponente zur Verfügung gestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen und insbesondere auf Mikrokanalkühlung in Gasturbinen.
In einer Gasturbine wird Luft in einem Verdichter verdichtet und in einer Brennkammer mit Kraftstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Den Gasen wird in einer Hochdruckturbine (HDT) – die den Verdichter antreibt – und einer Niederdruckturbine (NDT) – die einen Fan (Gebläse) in einem Turbofan-Flugtriebwerk oder eine externe Welle bei Marine- oder Industrieanwendungen antreibt – Energie entzogen.
Die Energieeffizienz nimmt mit steigender Temperatur der Verbrennungsgase zu. Die Verbrennungsgase erwärmen allerdings die verschiedenen Komponenten entlang des Gastströmungspfads, weswegen diese wiederum gekühlt werden müssen, um eine lange Lebensdauer der Turbine zu erzielen. Die Heißgaspfadkomponenten werden typischerweise durch Zapfluft aus dem Verdichter gekühlt. Durch diesen Kühlprozess wird der Wirkungsgrad der Turbine reduziert, da die Zapfluft nicht im Verbrennungsprozess verwendet wird.
Die Kühltechnik für Gasturbinen ist ausgereift, und es liegen zahlreiche Patente für verschiedene Ausführungsformen von Kühlkreisläufen und Merkmalen der verschiedenen Heißgaspfadkomponenten vor. Die Brennkammer umfasst zum Beispiel ein radial äußeres und ein radial inneres Flammrohr, die beide während des Betriebs gekühlt werden müssen. Turbinenleitapparate umfassen hohle Leitschaufeln, die zwischen einem äußeren und einem inneren Band angebracht sind und ebenfalls gekühlt werden müssen. Turbinenlaufschaufeln sind hohl und enthalten typischerweise Kühlkreisläufe; die Laufschaufeln sind von Deckbändern umgeben, die ebenfalls zu kühlen sind. Die heißen Verbrennungsgase werden durch einen Abgasauslass ausgelassen, der ebenfalls ausgekleidet und auf geeignete Weise gekühlt sein kann.
Bei allen diesen beispielhaften Gasturbinenkomponenten werden typischerweise dünne Metallwände aus hochfesten Superlegierungsmetallen verwendet, um eine verbesserte Dauerhaftigkeit bei gleichzeitig minimiertem Kühlbedarf zu erreichen. Verschiedene Kühlkreisläufe und Merkmale sind speziell auf diese einzelnen Komponenten in ihrer jeweiligen Umgebung in der Turbine zugeschnitten. So kann beispielsweise in einer Heißgaspfadkomponente eine Reihe interner Kühlkanäle oder -serpentinen ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann den Serpentinen aus einem Plenum zugeführt werden, und das Kühlfluid kann durch die Kanäle strömen und Substrat und Beschichtung der Komponenten des Heißgaspfades kühlen. Diese Kühlstrategie führt allerdings typischerweise zu vergleichsweise geringen Wärmeströmen und ungleichmäßigen Komponenten-Temperaturprofilen.
Mikrokanalkühlung verfügt über das Potenzial zur deutlichen Reduzierung der Kühlanforderungen, da die Kühlung in größtmöglicher Nähe der Wärmezone erfolgt, wodurch bei einem gegebenen Wärmestrom die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite reduziert wird. Aktuelle Verfahren zum Ausbilden von Mikrokanälen erfordern jedoch typischerweise die Verwendung eines Opfer-Füllmaterials, um zu verhindern, dass die Beschichtung sich in den Mikrokanälen ablagert; außerdem muss die Beschichtung während des Aufbringens gestützt und das Opfer-Füllmaterial nach dem Aufbringen entfernt werden. Sowohl das Füllen der Kanäle mit einem flüchtigen Material als auch das spätere Entfernen dieses Materials führen jedoch bei Anwendung der gegenwärtigen Verfahren zum Herstellen von Mikrokanälen potenziell zu Problemen. Das Füllmaterial muss beispielsweise mit dem Substrat und den Beschichtungen kompatibel sein, darf nur minimal schwinden und muss darüber hinaus eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Das Entfernen des Opfer-Füllmaterials beinhaltet potenziell schädigende Verfahren wie Auslaugen, Ätzen und Verdampfen und nimmt typischerweise viel Zeit in Anspruch. Füllmaterialrückstände können ebenfalls ein Problem darstellen.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Ausbilden von Kühlkanälen in Komponenten des Heißgaspfads zur Verfügung zu stellen, bei dem Füllen und Entfernen entfallen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Herstellung einer Komponente. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer oder mehrerer Nuten in einer Oberfläche eines Substrats, wobei das Substrat zumindest einen hohlen Innenraum aufweist. Jede Nut verläuft zumindest zum Teil entlang der Oberfläche des Substrats und verfügt über einen Boden und eine Oberseite. Der Boden ist breiter als die Oberseite, so dass jede Nut eine hinterschnitten ausgebildete Nut ist. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden eines oder mehrerer Zugangslöcher, die durch den Boden einer entsprechenden Nut verlaufen, um diese Nut strömungstechnisch mit einem oder mehreren hohlen Innenräumen zu verbinden. Das Verfahren umfasst weiter das Aufbringen einer Beschichtung auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats, wobei die Nut(en) und die Beschichtung einen oder mehrere einspringend ausgebildete Kanäle zur Kühlung der Komponente definieren.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine Komponente, die ein Substrat mit einer Außen- und einer Innenoberfläche umfasst. Durch die Innenoberfläche wird zumindest ein hohler Innenraum definiert, und durch die Außenoberfläche werden eine oder mehrere Nuten definiert. Jede Nut verläuft zumindest zum Teil entlang der Oberfläche des Substrats und verfügt über einen Boden und eine Oberseite. Der Boden ist breiter als die Oberseite, so dass jede Nut eine hinterschnittene Nut ist. Ein oder mehrere Zugangslöcher verlaufen durch den Boden einer entsprechenden Nut, um diese Nut strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden hohlen Innenräumen zu verbinden. Die Komponente umfasst weiter zumindest eine Beschichtung, die auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats aufgebracht ist. Durch die Nut(en) und die Beschichtung werden ein oder mehrere einspringend ausgebildete Kanäle zur Kühlung der Komponente definiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Beschichtung einer Komponente ohne Verwendung eines Opfer-Füllmaterials. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer oder mehrerer Nuten in einer Oberfläche eines Substrats, wobei das Substrat zumindest einen hohlen Innenraum aufweist. Jede Nut verläuft zumindest zum Teil entlang der Substratoberfläche und verfügt über einen Boden und eine Oberseite, wobei die Oberseite ungefähr 0,1 mm bis 0,5 mm breit ist. Das Verfahren umfasst weiter das Aufbringen einer Beschichtung auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats, und zwar direkt über offene Nuten, wobei durch die Nut(en) und die Beschichtung ein oder mehrere Kanäle zur Kühlung der Komponente definiert werden.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage;
2 ist ein schematischer Schnitt einer beispielhaften Schaufelblattgestaltung mit einspringend ausgebildeten Kanälen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt einen ersten Durchgang bei der Bearbeitung mit einem abrasiven Flüssigkeitsstrahl zum Ausbilden einer einspringenden Nut, wobei der Strahl in einem Winkel Φ geführt wird;
4 zeigt einen zweiten Durchgang bei der Bearbeitung mit dem abrasiven Flüssigkeitsstrahl zum Ausbilden der einspringenden Nut, wobei der Strahl in einem entgegengerichteten Winkel 90-Φ geführt wird;
5 zeigt einen optionalen dritten Durchgang bei der Bearbeitung mit dem abrasiven Flüssigkeitsstrahl zum Ausbilden der einspringenden Nut, wobei der Strahl senkrecht zur Nut geführt wird;
6 ist ein schematischer Schnitt eines Teils eines Kühlkreislaufs mit einspringenden Kühlkanälen;
7 zeigt schematisch einen Schnitt einer einspringend geformten Nut mit einer Beschichtung, die sich über die Oberseite der Nut erstreckt, so dass ein einspringend ausgebildeter Kühlkanal gebildet wird;
8 ist eine schematische Perspektive mit drei beispielhaften Mikrokanälen, die zum Teil entlang der Oberfläche des Substrats verlaufen und Kühlmittel zu entsprechenden Filmkühllöchern leiten;
9 ist ein Schnitt eines der beispielhaften Mikrokanäle aus 8 und zeigt einen Mikrokanal, durch den Kühlmittel von einem Zugangsloch zu einem Filmkühlloch befördert wird;
10 zeigt die Anwendung eines Beschichtungsverfahrens, bei dem die Auftragrichtung schräg zur Oberfläche verläuft, in Verbindung mit den einspringenden Mikrokanälen der vorliegenden Erfindung und
11 zeigt eine Beschichtung mit porenartigen Spalten zur Spannungsentlastung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit den Begriffen „erster“, „erste“, „erstes“, „zweiter“, „zweite“, „zweites“ sowie ähnlichen Begriffen wird in diesem Dokument keinerlei Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit angezeigt; sie werden vielmehr dazu verwendet, Elemente voneinander zu unterscheiden. „Einer“, „eine“ und „ein“ sind hier so zu verstehen, dass sie keine Einschränkung der Anzahl oder Menge bedeuten, sondern lediglich das Vorhandensein von zumindest einem der entsprechenden Gegenstände anzeigen. Werden die Modifikatoren „zirka“ oder „ungefähr“ in Verbindung mit einer Mengenangabe verwendet, ist der angegebene Wert eingeschlossen und hat die aus dem Zusammenhang ersichtliche Bedeutung (beinhaltet zum Beispiel den Fehlergrad, der mit der Messung der fraglichen Menge verbunden ist). Der Begriff „Kombination“ schließt Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliches ein.
Darüber hinaus sollen in dieser Beschreibung eingeklammerte Pluralsuffixe für gewöhnlich anzeigen, dass sowohl der Singular als auch der Plural des betreffenden Begriffs eingeschlossen sein sollen (z.B. kann „Nut(en)“ eine Nut oder mehrere Nuten beschreiben), wenn nicht anders angegeben. Wird in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „eine andere Ausführungsform“ usw. Bezug genommen, so heißt das, dass ein bestimmtes in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes Element (z.B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft) in zumindest einer hier beschriebenen Ausführungsform enthalten ist und in anderen Ausführungsformen enthalten sein kann oder auch nicht. Außerdem sollte beachtet werden, dass die beschriebenen erfinderischen Merkmale auf jede geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein können.
1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage 10. Die Turbinenanlage 10 kann einen oder mehrere Verdichter 12, Brennkammern 14, Turbinen 16 und Kraftstoffdüsen 20 umfassen. Der Verdichter 12 und die Turbine 16 können durch eine oder mehrere Wellen 18 miteinander verbunden sein. Die Welle 18 kann eine einzelne Welle sein oder aus mehreren Wellensegmenten bestehen, die die Welle 18 bilden.
Die Gasturbinenanlage 10 kann eine Anzahl von Heißgaspfadkomponenten 100 umfassen. Eine Heißgaspfadkomponente ist jede Komponente der Anlage 10, die zumindest zum Teil einem durch die Anlage 10 strömenden Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Laufschaufelanordnungen, Leitschaufelanordnungen, Deckbandanordnungen, Übergangsstücke, Halteringe und Verdichterauslasskomponenten sind beispielsweise alle Heißgaspfadkomponenten. Es sollte allerdings beachtet werden, dass die Heißgaspfadkomponente 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf die zuvor genannten Beispiele beschränkt ist, sondern jede Komponente sein kann, die zumindest zum Teil einem Hochtemperaturgasstrom ausgesetzt ist. Es sollte weiter beachtet werden, dass die Heißgaspfadkomponente 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf Komponenten in Gasturbinenanlagen 10 beschränkt ist, sondern jede Maschine oder Maschinenkomponente sein kann, die Hochtemperaturströmen ausgesetzt sein kann.
Wenn eine Heißgaspfadkomponente 100 einem Heißgasstrom 80 ausgesetzt ist, wird die Heißgaspfadkomponente 100 durch den Heißgasstrom 80 erwärmt und kann eine Temperatur erreichen, bei der die Heißgaspfadkomponente 100 versagt. Daher ist ein Kühlsystem für die Heißgaspfadkomponente 100 erforderlich, damit die Anlage 10 mit einem Heißgasstrom 80 einer hohen Temperatur betrieben werden kann und Wirkungsgrad und Leistung der Anlage verbessert werden.
Im Allgemeinen umfasst das Kühlsystem der vorliegenden Offenbarung eine Reihe von kleinen Kanälen bzw. Mikrokanälen, die in der Oberfläche der Heißgaspfadkomponente 100 ausgebildet sind. Die Heißgaspfadkomponente kann mit einer Beschichtung versehen sein. Ein Kühlfluid kann den Kanälen aus einem Plenum zugeführt werden, und das Kühlfluid kann durch die Kanäle strömen und die Beschichtung kühlen.
Mit Bezug auf die 2–11 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Komponente 100 beschrieben. Wie beispielsweise in 3–6 gezeigt, umfasst das Verfahren die Ausbildung von einer oder mehreren Nuten 132 in einer Oberfläche 112 eines Substrats 110. Bei den dargestellten Beispielen sind mehrere Nuten 132 im Substrat 110 ausgebildet. Wie zum Beispiel in 2 gezeigt, verfügt das Substrat 110 über zumindest einen hohlen Innenraum 114. Wie beispielsweise in 8 und 9 gezeigt, verläuft jede der Nuten 132 zumindest zum Teil entlang der Oberfläche 112 des Substrats 110. Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, verfügt jede der Nuten 132 über einen Boden 134 und eine Oberseite 136, wobei der Boden 134 breiter als die Oberseite 136 ist, so dass jede der Nuten 132 eine hinterschnitten geformte Nut 132 ist. Bei den in 8 und 9 gezeigten Beispielen befördern die Nuten Fluid zu Austritts-Filmlöchern 142. Andere Gestaltungen umfassen allerdings keine Filmlöcher; die Mikrokanäle verlaufen einfach entlang der Substratoberfläche 112 und treten an einer Kante der Komponente aus, beispielsweise an der Abströmkante, der Schaufelspitze oder einer Kante der Endwand. Obwohl die Filmlöcher in 8 rund dargestellt sind, handelt es sich dabei nur um ein nicht einschränkendes Beispiel. Die Filmlöcher können auch nicht kreisförmig ausgebildet sein.
Wie beispielsweise in 6 gezeigt, umfasst das Verfahren weiter das Ausbilden von einem oder mehreren Zugangslöchern 140, die durch den Boden 134 einer entsprechenden Nut 132 verlaufen, damit für eine strömungstechnische Verbindung zwischen den Nuten 132 und dem inneren Hohlraum bzw. den inneren Hohlräumen 114 gesorgt ist. Die Zugangslöcher 140 weisen typischerweise einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt auf und können beispielsweise mithilfe von einem oder mehreren der folgenden Verfahren ausgebildet werden: Laserbearbeitung (Laserbohren), abrasiver Flüssigkeitsstrahl, Funkenerodieren (EDM) und Elektronenstrahlbohren. Die Zugangslöcher 140 können senkrecht zum Boden 134 der entsprechenden Nuten 132 verlaufen (wie in 6 gezeigt) oder können in Winkeln von 20–90 Grad zum Boden 134 der Nut gebohrt werden. Wie beispielsweise in 6 gezeigt, umfasst das Verfahren weiter das Aufbringen einer Beschichtung 150 auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110. Genauer ausgedrückt, wird die Beschichtung 150 auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 und direkt über offenen Nuten 132 aufgebracht. „Offen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Nuten 132 hohl sind, d.h. sie sind nicht mit einem Opfermaterial gefüllt. Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, wird durch die Nuten 132 und die Beschichtung 150 eine Anzahl von einspringend ausgebildeten Kanälen 130 zum Kühlen der Komponente 100 definiert. Wie beispielsweise in 8 und 9 gezeigt, können durch das Substrat 110 und die Beschichtung 150 weiter mehrere Austritts-Filmlöcher 142 definiert werden. Bei der in 9 gezeigten beispielhaften Gestaltung, befördert der Mikrokanal 130 Kühlmittel von einem Zugangsloch 140 zu einem Filmkühlloch 142. Beispielhafte Beschichtungen 150 werden in den US-Patenten Nr. 5640767 und Nr. 5626462 zur Verfügung gestellt, die durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen sind. Wie im US-Patent Nr. 5626426 erörtert, sind die Beschichtungen 150 auf Teile der Oberfläche 112 des Substrats 110 gebondet.
Das Substrat 110 wird typischerweise vor dem Ausbilden der Nuten 132 in der Oberfläche 112 des Substrats 110 gegossen. Wie im gemeinsam zugeteilten US-Patent Nr. 5626462 erörtert, das durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen ist, kann das Substrat 110 aus einem beliebigen geeigneten Material – hier als erstes Material bezeichnet – ausgebildet sein. Abhängig von der beabsichtigten Anwendung der Komponente 100, könnte dies Superlegierungen auf Nickel-, Cobalt- und Eisenbasis umfassen. Die Superlegierungen auf Nickelbasis können diejenigen sein, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthalten, insbesondere diejenigen Superlegierungen auf Nickelbasis, die sowohl γ- als auch γ'-Phasen enthalten, und bei denen die γ'-Phase zumindest 40 Volumenprozent der Superlegierung ausmacht. Derartige Legierungen sind bekanntermaßen aufgrund einer Kombination wünschenswerter Eigenschaften vorteilhaft, darunter Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit. Das erste Material kann auch aus einer zwischenmetallischen NiAl-Legierung bestehen, da diese Verbindungen bekanntermaßen über eine Kombination überlegener Eigenschaften verfügen – darunter Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit – die vorteilhaft bei Turbinenanwendungen in Flugzeugen sind. Im Hinblick auf Legierungen auf Niobbasis werden beschichtete Legierungen auf Niobbasis mit überragender Oxidationsbeständigkeit bevorzugt, beispielsweise NbTi-Legierungen, und insbesondere diejenigen Legierungen, die Nb-(27–40)Ti-(4.5–10.5)Al-(4.5–7.9)Cr-(1.5–5.5)Hf-(0–6)V in Atomprozenten enthalten. Das erste Material kann außerdem aus einer Legierung auf Niobbasis bestehen, die zumindest eine sekundäre Phase enthält, beispielsweise eine Nb enthaltende intermetallische Verbindung, ein Nb enthaltendes Carbid oder ein Nb enthaltendes Borid. Derartige Legierungen sind insofern mit einem Verbundmaterial vergleichbar, als sie eine duktile Phase (d. h. die Legierung auf Niobbasis) und eine Verstärkungsphase (d. h. eine Nb enthaltende intermetallische Verbindung, ein Nb enthaltendes Carbid oder ein Nb enthaltendes Borid) enthalten.
Bei der in 2, 8 und 9 gezeigten beispielhaften Anordnung erstreckt sich die Beschichtung 150 in Längsrichtung auf der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 des Substrats 110. Die Beschichtung 150 passt sich der der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 an und überbrückt die Nuten 132, so dass Kanäle 130 ausgebildet werden. Es sollte beachtet werden, dass – wie gezeigt – die Beschichtung 150 nur die erste Beschichtung bzw. die strukturelle Beschichtung darstellt, die die Kanäle überbrückt. Für bestimmte Anwendungen wird möglicherweise nur eine einzige Beschichtung verwendet. Für andere Anwendungen werden jedoch außerdem eine Haftschicht und eine thermische Schutzschicht (TBC) verwendet. Bei den in 8 und 9 gezeigten beispielhaften Anordnungen leiten die Kanäle 130 den Kühlstrom aus dem jeweiligen Zugangsloch 140 zum Austritts-Filmloch 142. Die Kanallänge liegt typischerweise im Bereich des 10- bis 1000-fachen des Filmlochdurchmessers, und insbesondere im Bereich des 20- bis 100-fachen des Filmlochdurchmessers. Vorteilhafterweise können die Kanäle 130 überall in den Oberflächen der Komponenten (Schaufelblattkörper, Anströmkanten, Abströmkanten, Schaufelspitzen, Endwände, Plattformen) verwendet werden. Außerdem können die Kanäle 130, obwohl sie mit geraden Wänden gezeigt werden, eine beliebige Gestalt aufweisen; sie können zum Beispiel gerade, gekrümmt oder mit mehreren Biegungen versehen sein. Die Beschichtung 150 umfasst ein zweites Material, bei dem es sich um jedes geeignete Material handeln kann, und das auf die schaufelblattförmige Außenoberfläche 120 des Substrats 110 gebondet wird. Bei bestimmten Gestaltungen liegt die Dicke der Beschichtung 150 im Bereich von 0,1–2,0 Millimetern, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 1 Millimetern, und bei Industriebauteilen im Bereich von 0,1 bis 0,5 Millimetern. Bei Flugzeugbauteilen beträgt diese Spanne typischerweise 0,1 bis 0,25 Millimeter. Abhängig von den Anforderungen an eine bestimmte Komponente 100, können jedoch auch andere Dicken verwendet werden.
Die Beschichtung 150 kann mithilfe verschiedener Verfahren aufgebracht werden. Bei bestimmten Verfahren wird die Beschichtung 150 mithilfe von Ionen-Plasma-Beschichtung auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebracht. Eine beispielhafte Bogenbeschichtung und ein beispielhaftes Verfahren zur Plasma-Bogenbeschichtung werden in der gemeinsam zugeteilten und in den USA veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 20080138529 von Weaver und andere „Verfahren und Vorrichtung zur Katodenstrahlplasmaabscheidung“ zur Verfügung gestellt, die durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen ist. Kurz zusammengefasst, umfasst die Ionen-Plasma-Beschichtung das Platzieren einer Kathode aus Beschichtungsmaterial in einer Vakuumumgebung innerhalb einer Vakuumkammer, das Zur-Verfügung-Stellen eines Substrats 110 innerhalb der Vakuumumgebung, das Anlegen einer Spannung an die Kathode, um einen Vakuumbogen auf einer Oberfläche der Kathode zu erzeugen, was zur Erosion oder Verdampfung von Beschichtungsmaterial von der Kathodenoberfläche führt, sowie das Abscheiden des Beschichtungsmaterials von der Kathode auf der Substratoberfläche 112.
Bei einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst das Ionen-Plasma-Beschichtungsverfahren ein Plasma-Dampfphasenabscheidungsverfahren. Nicht einschränkende Beispiele für die Beschichtung 150 umfassen Metallbeschichtungen, Haftbeschichtungen sowie thermische Schutzschichten, wie nachfolgend mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5626462 ausführlicher erörtert wird. Bei bestimmten Heißgaspfadkomponenten 100 umfasst die Beschichtung 150 eine Superlegierung. Ist zum Beispiel das erste Material des Substrats 110 eine Superlegierung auf Nickelbasis, die sowohl γ- als γ‘-Phasen enthält, kann die Beschichtung 150 dieselben Materialien enthalten, wie nachfolgend mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5626462 ausführlicher erörtert wird.
Bei anderen Verfahrensgestaltungen wird die Beschichtung 150 durch thermisches Spritzen auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebracht. Der Prozess des thermischen Spritzens kann beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder Hochgeschwindigkeitsluftspritzen (HVAF) umfassen. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel wird eine NiCrAlY-Beschichtung durch HVOF oder HVAF aufgebracht. Bei anderen beispielhaften Verfahrensgestaltungen kann ein Niederdruckplasmaspritzverfahren (LPPS) eingesetzt werden.
Allgemeiner ausgedrückt und wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, kann das zweite zum Ausbilden der Beschichtung 150 verwendete Material jedes beliebige Material umfassen. Im Fall einer gekühlten Turbinenkomponente 100 muss das zweite Material Temperaturen von circa 1150° C widerstehen können, die thermische Schutzschicht bis zu circa 1320° C. Die Beschichtung 150 muss kompatibel mit der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 des Substrats 110 und dafür eingerichtet sein, auf diese gebondet zu werden. Diese Verbindung kann beim Aufbringen der Beschichtung 150 auf das Substrat 110 ausgebildet werden. Die Verbindung kann im Verlauf der Beschichtung durch viele Parameter beeinflusst werden, darunter das Beschichtungsverfahren, die Temperatur des Substrats 110 beim Beschichten, ob die beschichtete Oberfläche im Verhältnis zur Beschichtungsquelle geneigt ist, sowie andere Parameter. Die Verbindung kann außerdem durch eine nachfolgende Wärmebehandlung oder andere Bearbeitung beeinflusst werden. Darüber hinaus können Oberflächenmorphologie, chemische Zusammensetzung und Reinheit des Substrats 110 vor der Beschichtung einen Einfluss darauf haben, in welchem Ausmaß eine metallurgische Verbindung eintritt. Neben dem Ausbilden einer starken metallurgischen Verbindung zwischen der Beschichtung 150 und dem Substrat 110 ist es wünschenswert, dass diese Verbindung im Lauf der Zeit und bei hohen Temperaturen im Hinblick auf Phasenänderungen und Interdiffusion beständig bleibt, wie hier beschrieben. Im Hinblick auf die Kompatibilität bleibt die Verbindung zwischen diesen Elementen bevorzugt thermodynamisch stabil, so dass Festigkeit und Duktilität der Verbindung sich im Lauf der Zeit (z.B. bis zu 3 Jahre lang) nicht wesentlich durch Interdiffusion oder andere Prozesse verschlechtern, selbst wenn Schaufelblatt-Stützwände 40 aus Legierungen auf Nickelbasis und die Schaufelblatt-Außenhaut 42 aus Legierungen auf Nickelbasis hohen Temperaturen in der Größenordnung von 1150° C ausgesetzt sind oder – im Fall der Verwendung temperaturbeständigerer Materialien wie Legierungen auf Niobbasis noch höheren Temperaturen in der Größenordnung von 1300° C ausgesetzt sind.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert: Wenn das erste Material des Substrats 110 eine Superlegierung auf Nickelbasis ist, die sowohl γ- als auch γ‘-Phasen enthält, oder eine intermetallische NiAl-Legierung ist, können die zweiten Materialien der Beschichtung 150 dieselben Materialien umfassen. Eine derartige Kombination von Materialien der Beschichtung 150 und des Substrats 110 wird für Anwendungen bevorzugt, bei denen beispielsweise die Maximaltemperaturen der Betriebsumgebung ähnlich denen der vorhandenen Maschinen sind (z.B. unterhalb von 1650° C liegen). Wenn das erste Material des Substrats 110 eine Legierung auf Niobbasis ist, können die zweiten Materialien der Beschichtung 150 ebenfalls eine Legierung auf Niobbasis enthalten, eingeschlossen dieselbe Legierung auf Niobbasis.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, umfasst für andere Anwendungen – beispielsweise Anwendungen, die temperatur- oder umgebungsbezogene oder sonstige Einschränkungen auferlegen, die die Verwendung einer Metalllegierungsbeschichtung 150 unerwünscht erscheinen lassen – die Beschichtung 150 bevorzugt Materialien mit Eigenschaften, die denen der Metalllegierungen allein überlegen sind, wie beispielsweise Verbundwerkstoffe in der allgemeinen Form eines Zweiphasen-Verbundwerkstoffs aus intermetallischer Verbindung (I_s)/Metalllegierung (M) oder intermetallischer Verbindung (I_s)/intermetallischer Verbindung (I_M). Die Metalllegierung M kann dieselbe Legierung sein, die auch für die Schaufelblatt-Stützwand 40 verwendet wird, aber auch ein anderes Material; dies hängt von den Anforderungen an das Schaufelblatt ab. Diese Verbundwerkstoffe sind sich insofern ähnlich, als sie eine Kombination aus einer relativ duktileren Phase M oder I_M und einer weniger duktilen Phase I_s darstellen, wobei diese Kombination dazu dient, eine Beschichtung 150 zu erstellen, die die Vorzüge beider Materialien in sich vereint. Um einen gelungenen Verbundwerkstoff zu erhalten, müssen die beiden Materialien miteinander kompatibel sein. Der Begriff „kompatibel“ bedeutet hier und bezogen auf Verbundwerkstoffe, dass die Materialien in der Lage sein müssen, die gewünschte anfängliche Phasenverteilung auszubilden und diese Phasenverteilung für einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten (wie bereits beschrieben), und zwar bei Gebrauchstemperaturen von 1150° C und höher, ohne metallurgische Reaktionen zu zeigen, die die Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und andere wichtige Eigenschaften des Verbundwerkstoffs wesentlich beeinträchtigen würden. Eine solche Kompatibilität kann auch als Phasenstabilität ausgedrückt werden. Das bedeutet, die separaten Phasen des Verbundwerkstoffs müssen beim Betrieb bei Gebrauchstemperatur über einen längeren Zeitraum stabil bleiben, so dass diese Phasen separat und verschiedenartig bleiben, ihre jeweilige Identität und Eigenschaften beibehalten und nicht aufgrund von Interdiffusion zu einer einzigen Phase oder mehreren verschiedenen Phasen werden. Kompatibilität kann ebenfalls als morphologische Stabilität der Phasengrenze zwischen den I_S/M- oder I_S /I_M-Schichten des Verbundwerkstoffs ausgedrückt werden. Eine solche Stabilität kann sich in der Form von Wellen manifestieren, die die Kontinuität beider Schichten unterbrechen. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass in einer gegebenen Beschichtung 150 auch mehrere I_S/M- oder I_S/I_M-Verbundwerkstoffe verwendet werden können, und dass derartige Verbundwerkstoffe nicht auf Kombinationen von zwei Materialien oder zwei Phasen beschränkt sind. Die Verwendung solcher Kombinationen dient hier nur zur Veranschaulichung und ist hinsichtlich der potenziellen Kombinationen weder umfassend noch einschränkend. Daher sind die Kombinationen M/I_M/I_S, M/I_S1/I_S2 (wobei I_S1 und I_S2 unterschiedliche Materialien sind) sowie zahlreiche andere Kombinationen möglich.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, wo das Substrat 110 eine Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ‘-Phasen enthält, kann I_S die intermetallischen Verbindungen und Zwischenphasen Ni₃ [Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃ Si, [Cr, Mo]x Si, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ enthalten und M kann eine Superlegierung auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ‘-Phasen enthalten. Bei Superlegierungen auf Nickelbasis mit einer Mischung von γ- und γ‘-Phasen sind beinahe immer die Elemente Co, Cr, Al, C und B als Legierungsbestandteile enthalten, wie auch unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr. Daher entsprechen die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_s-Materialien dem oder den Material(ien), die man typischerweise in Superlegierungen auf Nickelbasis findet, und die als erstes Material verwendet werden können (um das Substrat 110 auszubilden), und die daher so angepasst werden können, dass sie die hier beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen. Ein weiteres Beispiel: Wenn das erste Material (das Substrat 110) die intermetallische Legierung NiAl enthält, kann I_S die intermetallischen Verbindungen und Zwischenphasen Ni₃ [Ti, Ta, Nb, V], NiAl, Cr₃Si, [Cr, Mo]xSi, [Ta, Ti, Nb, Hf, Zr, V]C, Cr₃C₂ und Cr₇C₃ enthalten und I_M kann eine intermetallische Ni₃Al-Legierung enthalten. Bei intermetallischen NiAl-Legierungen sind beinahe immer eines oder mehrere der Elemente Co, Cr, C und B als Legierungsbestandteile enthalten, wie auch unterschiedliche Kombinationen von Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Re, Hf und Zr. Daher entsprechen die Bestandteile der beschriebenen beispielhaften I_s-Materialien dem oder den Material(ien), die man typischerweise in NiAl-Legierungen findet, und die als erstes Material verwendet werden können, und die daher so angepasst werden können, dass sie die hier beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen.
Wie im US-Patent Nr. 5626462 erörtert, kann I_S eine Niob enthaltende intermetallische Verbindung, ein Niob enthaltendes Carbid oder ein Niob enthaltendes Borid enthalten, und M kann eine Legierung auf Niobbasis enthalten, wenn das Substrat 110 eine Legierung auf Niobbasis enthält, eingeschlossen eine Legierung auf Niobbasis mit mindestens einer Sekundärphase. Bevorzugt enthält ein derartiger I_S/M-Verbundwerkstoff eine M-Phase einer Legierung auf Niobbasis, die Ti enthält, so dass das Atomverhältnis des Ti zum Nb (Ti/Nb) der Legierung im Bereich von 0,2–1 liegt, und eine I_S-Phase, die eine aus Siliciden auf Niobbasis, Cr₂[Nb, Ti, Hf] und Aluminiden auf Niobbasis bestehende Gruppe enthält, wobei Nb – unter Nb, Ti und Hf – auf atomarer Basis der primäre Bestandteil des Cr₂[Nb, Ti, Hf] ist. Alle diese Verbindungen haben Nb als gemeinsamen Bestandteil und können daher so angepasst werden, dass sie die im US-Patent Nr. 5626462 beschriebene Stabilität hinsichtlich Phasenbildung und Interdiffusion aufweisen.
Die aufgebrachte Beschichtung weist ohne weitere Bearbeitung eine ausreichende Partikelgröße, Festigkeit und Haftung auf, um die Öffnungen 136 der einspringend ausgebildeten Nuten 132 so zu überbrücken, dass sich nur eine minimale Menge des Beschichtungsmaterials in der Nut ablagert. Typischerweise wird jedoch etwas Beschichtungsmaterial die Öffnung geringfügig unterhalb der Außenoberfläche füllen, wie zum Beispiel in 7 gezeigt. Dieser Überbrückungseffekt wurde bereits bei PVD-Hitzeschutzschichten (PVD) dokumentiert, die über kleinen offenen Nuten aufgebracht wurden. Vorteilhafterweise führt die Verwendung des vorliegenden Verfahrens mit einspringenden Mikrokanälen in Verbindung mit thermischen Spritzbeschichtungen zu viel größeren Agglomerationen von Partikeln mit der Fähigkeit, größere Nutöffnungen 136 zu überbrücken.
Neben dem Beschichtungssystem 150 kann die Innenoberfläche der Nut 132 (oder des Mikrokanals 130, wenn die erste (innere) Schicht der Beschichtung 150 nicht besonders oxidationsbeständig ist) weiter abgeändert werden, um ihre Oxidationsbeständigkeit und/oder Heißkorrosionsbeständigkeit zu verbessern. Geeignete Verfahren zum Aufbringen einer oxidationsbeständigen Beschichtung (nicht ausdrücklich gezeigt) auf die Innenoberfläche der Nuten 132 (oder der Mikrokanäle 130) umfassen Dampfphasen- oder Slurry-Chromierung, Dampfphasenoder Slurry-Aluminierung oder Overlay-Beschichtung durch Verdampfung, Sputtern, Ionen-Plasma-Beschichtung, thermisches Spritzen und/oder kaltes Spritzen. Zu den Beispielen für oxidationsbeständige Overlay-Beschichtungen gehören Materialien aus der MCrAlY-Familie (M={Ni, Co, Fe}), wie auch aus der NiAlX-Familie (X={Cr, Hf, Zr, Y, La, Si, Pt, Pd}) ausgewählte Materialien.
Wie in den 3–5 gezeigt, können die einspringend ausgebildeten Nuten 132 mit Hilfe verschiedener Verfahren ausgebildet werden. Die einspringend ausgebildeten Nuten 132 können beispielsweise mit Hilfe von einem oder mehreren der folgenden Verfahren ausgebildet werden: abrasiver Flüssigkeitsstrahl, elektrochemische Metallbearbeitung (ECM), Funkenerodieren (EDM) mit einer sich drehenden Einpunktelektrode („Fräs“-EDM) und Laserbearbeitung (Laserbohren). Beispielhafte Laserbearbeitungsverfahren werden in der gemeinsam zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/697005, „Verfahren und System zur Ausbildung geformter Luftlöcher“, beschrieben, eingereicht am 29. Januar 2010, die durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen ist. Beispielhafte EDM-Verfahren werden in der gemeinsam zugeteilten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/790675, „Gegenstände mit rautenförmigen Filmkühlungslöchern und zugehörige Verfahren“, beschrieben, die am 28. Mai 2010 eingereicht wurde und die durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen ist.
Bei bestimmten Verfahrensgestaltungen werden die einspringend ausgebildeten Nuten 132 ausgebildet, indem ein abrasiver Flüssigkeitsstrahl 160 auf die Oberfläche 112 des Substrats 110 gerichtet wird, wie in 3–5 schematisch gezeigt. Andere Gestaltungen des Werkzeugwegs des Strahls 160 können ebenfalls verwendet werden. Der Strahl 160 kann beispielsweise entlang einem Radius (5) geneigt werden, in Kanallängsrichtung bewegt werden und einem Zick-Zack-förmigen Werkzeugweg folgen. Auf diese Weise kann eine relativ enge Nutöffnung 136 (Oberseite der Nut) ausgebildet werden. Um den Strahl 160 zu neigen, kann eine mehrachsige numerisch gesteuerte (NC) Werkzeugwegfunktion eingesetzt werden, um den Drehpunkt des Strahls 160 so zu steuern, dass eine enge Öffnung 136 sichergestellt ist. Die Tiefe des Kanals wird sowohl durch die Abtastgeschwindigkeit als auch die Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls durch den Kanal bestimmt, wenn der Druck des Strahls eingestellt ist. Beispielhafte Wasserstrahlbohrverfahren und -systeme werden in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/790675 zur Verfügung gestellt. Wie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/790675 erläutert, wird beim Wasserstrahlverfahren typischerweise ein Hochgeschwindigkeitsstrom abrasiver Partikel (z.B. abrasive „Schleifkörner“) verwendet, die im Hochdruckwasserstrahl suspendiert sind. Der Wasserdruck kann beträchtlich variieren, liegt aber oft im Bereich von circa 34–621 MPa (circa 5.000–90.000 psi). Es kann eine Reihe abrasiver Materialien verwendet werden, beispielsweise Granat, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Glasperlen. Vorteilhafterweise beinhaltet das Wasserstrahlverfahren kein wesentliches Erwärmen des Substrats 110. Daher bildet sich auf der Substratoberfläche 112 keine „Wärmeeinflusszone“, die ansonsten die gewünschte Austrittsgeometrie der einspringend ausgebildeten Nuten 132 nachteilig beeinflussen könnte.
Die Wasserstrahlanlage kann außerdem, wie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/790675 erörtert, eine mehrachsige, computernumerisch gesteuerte (CNC) Einheit umfassen. Die CNC-Anlagen selbst sind in der Technik bekannt und zum Beispiel in der U.S.-Patentveröffentlichung 2005/0013926 (S. Rutkowski und andere) beschrieben, die durch Bezugnahme in diese Patentanmeldung einbezogen ist. CNC-Anlagen ermöglichen das Bewegen des Schneidwerkzeugs entlang einer Anzahl von x-, y- und z-Achsen, wie auch Rotationsachsen.
Wie zum Beispiel in 3 und 4 gezeigt, werden bei bestimmten Verfahrensgestaltungen die einspringend ausgebildeten Nuten 132 geformt, indem der abrasive Flüssigkeitsstrahl 160 bei einem ersten Durchgang mit dem abrasiven Flüssigkeitsstrahl 160 in einem zur Oberfläche 112 des Substrats 110 seitlichen Winkel geführt wird, und anschließend bei einem weiteren Durchgang in einem dem seitlichen Winkel im Wesentlichen ander ausgerichteten Winkel geführt wird. 3 zeigt einen beispielhaften Schnitt mit einem abrasiven Wasserstrahl in einem beispielhaften seitlichen Winkel Φ zur Senkrechten der Oberfläche 112 des Substrats 110. Bei besonderen Gestaltungen ist eine Wand 138 (siehe zum Beispiel 7) einer der einspringend ausgebildeten Nuten 132 in einem Winkel Φ von circa 10–89 Grad zu einer Senkrechten 52 der Oberfläche, und insbesondere in einem Winkel Φ von circa 20–70 Grad zur Senkrechten 52 der Oberfläche ausgerichtet, und insbesondere in einem Winkel Φ von circa 20–45 Grad zur Senkrechten 52 der Oberfläche ausgerichtet. Obwohl die Wand 138 in 7 als gerade Wand dargestellt ist, kann die Wand 138 auch gekrümmt sein. Bei gekrümmten Wänden 138, ist der Winkel Φ als durchschnittlicher Winkel der gekrümmten Wand zu verstehen. In ähnlicher Weise zeigt 4 einen beispielhaften Schnitt mit einem abrasiven Wasserstrahl in einem Winkel, der diesem im Wesentlichen gegenüberliegt, (nämlich 90°-Φ +/–10°), wobei der seitliche Winkel Φ in Bezug auf die Senkrechte 52 der Oberfläche definiert ist, wie in 3 gezeigt, und wobei der gegenüberliegende Winkel in Bezug auf die Oberfläche 112 definiert ist, wie in 4 in Bezug auf den in 3 dargestellten seitlichen Winkel gezeigt wird. Außerdem kann, wie in 5 gezeigt, der Schritt der Ausbildung der einspringend ausgebildeten Nuten 132 weiter das Ausführen eines zusätzlichen Durchgangs umfassen, bei dem der abrasive Flüssigkeitsstrahl 160 auf den Boden 134 der Nut 132 gerichtet wird, und zwar in einem oder mehreren Winkeln zwischen dem seitlichen Winkel und einem im Wesentlichen gegenüberliegenden Winkel, so dass Material vom Boden 134 der Nut 132 entfernt wird.
Um das Aufbringen der Beschichtung 150 über der Nut 132 zu erleichtern, ohne dass die Beschichtung die Nut 132 füllt, ist es wünschenswert, dass der Boden 134 der Nut 132 beträchtlich größer als die Oberseite 136 der Nut ist. Dadurch wird auch die Ausbildung eines ausreichend großen Mikrokanals 130 ermöglicht, so dass die Anforderungen an die Kühlung der Komponente 100 erfüllt werden können. Bei bestimmten Gestaltungen ist der Boden 134 einer entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut 132 zumindest 2-mal breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132. Wenn beispielsweise der Boden 134 der Nut 132 eine Breite von 0,75 Millimetern aufweist, wäre bei dieser Gestaltung die Oberseite 136 unter 0,375 Millimeter breit. Bei spezielleren Formen ist der Boden 134 der entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut 132 zumindest 3-mal breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132, und bei noch spezielleren Formen ist der Boden 134 der entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut 132 circa 3–4-mal breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132. Vorteilhafterweise erhöht ein großes Boden-Oberseite-Verhältnis das Gesamtkühlvolumen des Mikrokanals 130 und erleichtert gleichzeitig das Aufbringen der Beschichtung 150 über der Nut 132, ohne dass die Beschichtung 150 die Nut 132 füllt.
Vorteilhafterweise ist es aufgrund des Ausbildens der einspringend ausgebildeten Nuten 132 nicht erforderlich, ein Opfer-Füllmaterial (nicht gezeigt) zu verwenden, um die Beschichtung 150 auf die Substrate 110 aufzubringen. So entfällt die Notwendigkeit des Füllens und das noch schwierigere Entfernen des Füllmittels.
Durch Ausbilden von einspringend ausgebildeten Nuten mit engen Öffnungen 136 (Oberseiten), beispielsweise mit Öffnungen 136 in einer Breite von circa 0,25 mm–0,30 mm (10–12 mil), können die Öffnungen 136 ohne Verwendung eines Opfer-Füllmaterials durch die Beschichtung 150 überbrückt werden, wodurch zwei der Hauptverfahrensschritte (Füllen und Auslaugen) herkömmlicher Verfahren zur Ausbildung von Kanälen entfallen. Bei der in 7 gezeigten beispielhaften Gestaltung überbrückt die Beschichtung 150 die entsprechenden Nuten 132 vollständig, so dass die jeweiligen Mikrokanäle 130 durch die Beschichtung 150 abgedichtet werden. 11 zeigt eine andere Anordnung, bei der durch die Beschichtung 150 eine oder mehrere poröse Stellen 144 (beispielsweise Porosität der Beschichtung 150 oder eine Lücke in der Beschichtung) definiert werden, so dass die Beschichtung 150 nicht jede der entsprechenden Nuten 132 vollständig überbrückt. Obwohl die Lücke 144 in 11 mit einer gleichmäßigen und geraden Geometrie dargestellt ist, weist die Lücke 144 typischerweise eine unregelmäßige Geometrie auf, wobei die Breite der Lücke 144 variiert, während die Beschichtung 150 aufgebracht wird und deren Dicke zunimmt. Anfänglich, wenn der erste Teil der Beschichtung 150 auf das Substrat 110 aufgebracht wird, kann die Breite der Lücke 144 50 % der Breite der Oberseite 136 des Mikrokanals 130 betragen. Die Lücke 144 kann sich dann bis auf 5 % oder weniger der Breite der Oberseite 136 verengen, während die Beschichtung 150 aufgebaut wird. Bei speziellen Beispielen beträgt die Breite der Lücke 144 an ihrer engsten Stelle 5 % bis 20 % der Breite der jeweiligen Mikrokanal-Oberseite 136. Die Lücke 144 kann außerdem porös sein, und in diesem Fall kann die porenartige Stelle bzw. Lücke 144 einige Verbindungen aufweisen, das heißt, einige geschlossene Stellen. Vorteilhafterweise sorgen die Lücken 144 für eine Spannungsentlastung der Beschichtung 150.
Mit Bezug auf die 2 und 6–9 wird eine Komponente 100 beschrieben. Wie zum Beispiel in 2 gezeigt, umfasst die Komponente 100 ein Substrat 110 mit einer Außenoberfläche 112 und einer Innenoberfläche 116. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, wird durch die Innenoberfläche 116 des Substrats 110 zumindest ein hohler Innenraum 114 definiert. Wie zum Beispiel in 2, 6 und 8 gezeigt, wird durch die Außenoberfläche 112 des Substrats 110 eine Anzahl von Nuten 132 definiert. Wie beispielsweise in 6, 8 und 9 gezeigt, verläuft jede der Nuten 132 zumindest zum Teil entlang der Oberfläche 112 des Substrats 110 und verfügt über einen Boden 134 und eine Oberseite 136. Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, ist der Boden 134 einer entsprechenden Nut 132 breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132, so dass jede der Nuten 132 eine hinterschnitten ausgebildete Nut 132 ist. Zugangslöcher 140 verlaufen durch die Böden 134 der Nuten 132 und dienen als strömungstechnische Verbindung zwischen den Nuten 132 und dem hohlen Innenraum bzw. den hohlen Innenräumen 114, wie es beispielsweise in 6 dargestellt ist. Wie bereits erörtert, können die Zugangslöcher 140 senkrecht zum Boden 134 der entsprechenden Nuten 132 verlaufen (wie in 6 gezeigt) oder können in Winkeln von 20–90 Grad zum Boden 134 der Nut gebohrt werden.
Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, umfasst die Komponente 100 weiter zumindest eine Beschichtung 150, die auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 aufgebracht ist, wobei durch die Nuten 132 und die Beschichtung 150 eine Anzahl von einspringend ausgebildeten Kanälen 130 zum Kühlen der Komponente 100 definiert ist. Bei der in 8 und 9 gezeigten beispielhaften Gestaltung leiten die Mikrokanäle 130 den Kühlstrom aus dem jeweiligen Zugangsloch 140 zum Austritts-Filmloch 142. Beispielhafte Längenangaben für Mikrokanäle sind im Vorhergehenden aufgeführt. Wie bereits erwähnt, können die Mikrokanäle 130 überall auf den Oberflächen der Komponenten (Schaufelblattkörper, Anströmkanten, Abströmkanten, Schaufelspitzen, Endwände, Plattformen) eingesetzt werden. Außerdem können die Mikrokanäle 130, obwohl sie mit geraden Wänden gezeigt werden, jede beliebige Gestalt aufweisen; sie können zum Beispiel gerade, gekrümmt oder mit mehreren Biegungen versehen sein usw. Beispielhafte Beschichtungen sind ebenfalls im Vorhergehenden aufgeführt. Bei der in 2, 8 und 9 gezeigten beispielhaften Anordnung erstreckt sich die Beschichtung 150 in Längsrichtung entlang der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 des Substrats 110. Die Beschichtung 150 passt sich der schaufelblattförmigen Außenoberfläche 112 an und überbrückt die Nuten 132, so dass Mikrokanäle 130 ausgebildet werden. Die Beschichtung 150 umfasst ein zweites Material, bei dem es sich um jedes geeignete Material handeln kann, und das auf die schaufelblattförmige Außenoberfläche 120 des Substrats 110 gebondet ist. Beispielhafte Angaben zur Dicke der Beschichtung 150 sind im Vorhergehenden aufgeführt. Nicht einschränkende Beispiele für die Beschichtung 150 sind unter anderem Metallbeschichtungen, Haftbeschichtungen und thermische Schutzschichten.
Wie bereits erörtert, ist es wünschenswert, dass der Boden 134 der Nut 132 deutlich größer als die Oberseite 136 der Nut ist, damit die Beschichtung 150 über der Nut 132 aufgebracht werden kann, ohne dass die Beschichtung die Nut 132 füllt. Dadurch wird auch die Ausbildung eines ausreichend großen Mikrokanals 130 ermöglicht, so dass die Anforderungen an die Kühlung der Komponente 100 erfüllt werden können. Bei bestimmten Gestaltungen ist der Boden 134 einer entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut 132 zumindest 2-mal breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132. Insbesondere ist der Boden 134 der einspringend ausgebildeten Nut 132 3- bis 4-mal breiter als die Oberseite 136 der jeweiligen Nut 132.
In ähnlicher Weise ist bei speziellen Gestaltungen eine Wand 138 (siehe beispielsweise 7) einer der einspringend ausgebildeten Nuten 132 in einem Winkel Φ (siehe beispielsweise 3) von circa 10–89 Grad zur Senkrechten der Oberfläche 52 ausgerichtet. Insbesondere ist die Wand 138 der entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut 132 in einem Winkel Φ von circa 20–45 Grad zur Senkrechten der Oberfläche 52 ausgerichtet. Wie bereits erwähnt, können die Wände 138 der Nuten gerade – wie beispielsweise in 7 gezeigt – oder gekrümmt sein (nicht gezeigt). Bei gekrümmten Wänden 138 ist der Winkel Φ als durchschnittlicher Winkel Φ der gekrümmten Wand 138 zu verstehen. Bei bestimmten Gestaltungen der Komponente 100 überbrückt die Beschichtung 150 die entsprechenden Nuten 132 vollständig, wie beispielsweise in 7 gezeigt, so dass die entsprechenden Mikrokanäle 130 durch die Beschichtung 150 abgedichtet werden. Bei anderen Gestaltungen der Komponente 100 werden durch die Beschichtung 150 eine oder mehrere poröse Stellen 144 definiert, wie in 11 gezeigt, so dass die Beschichtung 150 nicht jede der entsprechenden Nuten 132 vollständig überbrückt. Vorteilhafterweise sorgen die porösen Stellen 144 für eine Spannungsentlastung der Beschichtung 150.
Mit Bezug auf 2–9 und 11 wird ein Verfahren zur Beschichtung einer Komponente (100) ohne Verwendung eines Opfer-Füllmaterials beschrieben. Wie beispielsweise in 3–6 gezeigt, umfasst das Verfahren das Ausbilden einer Anzahl von Nuten 132 in einer Oberfläche 112 eines Substrats 110. Obwohl die 3–6 das Ausbilden einspringend ausgebildeter Nuten 132 zeigen, sind die Nuten bei anderen Gestaltungen (nicht ausdrücklich gezeigt) einfache Nuten (d. h. Nuten mit ungefähr gleich breiten Oberseiten 136 und Böden). Wie beispielsweise in 2 und 6 gezeigt, weist das Substrat 110 zumindest einen hohlen Innenraum 114 auf. Wie zum Beispiel in 8 gezeigt, verläuft jede der Nuten 132 zumindest zum Teil entlang der Oberfläche 112 des Substrats 110. Um die Beschichtung 150 ohne Verwendung eines Opfer-Füllmittels aufbringen zu können, ist die Oberfläche 136 typischerweise circa 0,1 mm bis 0,5 mm breit und insbesondere 0,2 mm bis 0,35 mm breit.
Wie in 10 gezeigt, umfasst im Fall einer schrägen Auftragsrichtung das Verfahren zur Beschichtung einer Komponente 100 ohne Verwendung eines Opfer-Füllmittels weiter das Aufbringen einer Beschichtung 150 auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110, direkt über offenen Nuten 132. „Offen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Nuten 132 hohl sind, d. h., sie sind nicht mit einem Opfermaterial gefüllt. Wie beispielsweise in 6 gezeigt, wird im Fall einspringender Nuten durch die Nuten 132 und die Beschichtung 150 eine Anzahl von Kanälen 130 zum Kühlen der Komponente 100 definiert. Obwohl diese einfachen Nuten (d. h. Nuten mit ungefähr gleich breiten Oberseiten 136 und Böden) zur Kühlung der Komponente weniger wirkungsvoll sind als die einspringend ausgebildeten Nuten, ermöglichen die einfachen Nuten dennoch vorteilhafterweise die Beschichtung ohne Füllmittel und Auslaugen.
Wie bereits erörtert, wird das Substrat 110 typischerweise vor der Ausbildung der Nuten 132 in der Oberfläche 112 des Substrats 110 gegossen. Wie bereits mit Bezug auf 6 erörtert, umfasst das Verfahren weiter optional das Ausbilden einer Anzahl von Zugangslöchern 140. Jedes der Zugangslöcher 140 verläuft durch den Boden 134 einer der Nuten 132, um diese Nut 132 strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden hohlen Innenräumen 114 zu verbinden, Die Beschichtung 150 umfasst zumindest eine der folgenden Beschichtungen: eine Metallbeschichtung, eine Haftbeschichtung und eine thermische Schutzschicht. Geeignete Beschichtungsverfahren wurden bereits erörtert und umfassen Ionen-Plasma-Beschichtung, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen(HVOF), Hochgeschwindigkeitsluftspritzen (HVAF) sowie Niederdruckplasmaspritzen (LPPS).
Wie bereits mit Bezug auf 7 erörtert, überbrückt bei bestimmten Verfahrensgestaltungen die Beschichtung 150 die entsprechenden Nuten 132 vollständig, so dass die entsprechenden Kanäle 130 durch die Beschichtung 150 abgedichtet werden. Wie bereits mit Bezug auf 11 erörtert, werden bei anderen Verfahrensgestaltungen durch die Beschichtung 150 eine oder mehrere poröse Stellen 144 definiert, so dass die Beschichtung 150 nicht jede der entsprechenden Nuten 132 vollständig überdeckt. Vorteilhafterweise sorgt diese poröse Gestaltung für eine Spannungsentlastung der Beschichtung.
Durch die einspringend ausgebildeten Nuten 132 entfällt die Notwendigkeit, ein Opfer-Füllmittel (nicht gezeigt) zu verwenden und dieses anschließend zu entfernen. Vorteilhafterweise bietet die Eliminierung dieser beiden Verfahrensschritte das Potenzial zur Reduzierung von Herstellungsvariabilität, Einschlüssen und menschlichem Versagen. Durch die einspringenden Kanäle 130 wird weiter auch eine Reparatur der Komponenten 100 ohne Füllen und Auslaugen ermöglicht.
Darüber hinaus können die im Vorangehenden beschriebenen einspringend ausgebildeten Nuten 132 in Verbindung mit den Verfahren zur schrägen Beschichtung verwendet werden, die in der gemeinsam zugeteilten, gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung von Ronald S. Bunker et al. „Komponenten und Verfahren zur Herstellung und Beschichtung einer Komponente“ zur Verfügung gestellt werden, die dem deutschen Aktenzeichen Nr. 247894-1 entspricht und die durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Patentanmeldung einbezogen ist. Kurz zusammengefasst, stellt die Patentanmeldung von Bunker et al. ein Verfahren zur Beschichtung einer Komponente 100 zur Verfügung, das das Aufbringen einer Beschichtung 150 auf zumindest einen Teil der Oberfläche 112 des Substrats 110 umfasst. Die Beschichtung 150 besteht aus einer oder mehreren Schichten 50, und zumindest eine der Schichten 50 wird in einem Winkel α von circa 20–80 Grad, und insbesondere circa 50–70 Grad zu einer Senkrechten 52 der Oberfläche des Substrats 110 aufgebracht, wie zum Beispiel in 10 gezeigt. Vorteilhafterweise kann bei Aufbringen der Beschichtung in einem bestimmten Beschichtungswinkel die Beschichtung die Nut 132 überbrücken, ohne diese ganz oder teilweise zu füllen.
Obwohl hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten viele Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, die dem wahren Sinn der Erfindung entsprechen.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente 100 zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer oder mehrerer Nuten 132 in einer Oberfläche 112 eines Substrats 110, wobei das Substrat zumindest einen hohlen Innenraum 114 aufweist.
Jede Nut verläuft zumindest zum Teil entlang der Oberfläche des Substrats und verfügt über einen Boden 134 und eine Oberseite 136. Der Boden ist breiter als die Oberseite, so dass jede Nut eine hinterschnitten ausgebildete Nut 132 ist. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden von einem oder mehreren Zugangslöchern 140, die durch den Boden 134 einer entsprechenden Nut verlaufen, um diese Nut strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden hohlen Innenräumen zu verbinden, sowie das Aufbringen einer Beschichtung 150 auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Substrats. Durch die Nut(en) und die Beschichtung werden ein oder mehrere Kanäle 130 zum Kühlen der Komponente definiert. Es werden außerdem eine Komponente 100 mit einem oder mehreren einspringend ausgebildeten Kanälen 130 sowie ein Verfahren zur Beschichtung einer Komponente zur Verfügung gestellt.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenanlage
12: Verdichter
14: Brennkammer
16: Turbine
18: Welle
20: Kraftstoffdüse
50: Beschichtungsschicht(en)
52: Senkrechte der Oberfläche
80: Heißgasstrom
100: Heißgaspfadkomponente
110: Substrat
112: Außenoberfläche des Substrats
114: Hohler Innenraum
116: Innenoberfläche des Substrats
130: Einspringend ausgebildete Kanäle
132: Einspringend ausgebildete Nut(en)
134: Boden der Nut
136: Oberseite (Öffnung) der Nut
138: Wand der einspringend ausgebildeten Nut
140: Zugangsloch/-löcher
142: Filmkühlloch/-löcher
144: Poröse Stelle(n)
150: Beschichtung(en)
160: Abrasiver Flüssigkeitsstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5640767 [0030]
US 5626462 [0030, 0031, 0034, 0036, 0037, 0038, 0039, 0040]
US 5626426 [0030]
US 2005/0013926 [0045]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Komponente (100), wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer oder mehrerer Nuten (132) in einer Oberfläche (112) eines Substrats (110), wobei das Substrat (110) zumindest einen hohlen Innenraum (114) aufweist, wobei die Nut(en) (132) zumindest zum Teil entlang der Oberfläche (112) des Substrats (110) verlaufen und über einen Boden (134) und eine Oberseite (136) verfügen, wobei der Boden (134) breiter als die Oberseite (136) ist, so dass die Nut(en) (132) einspringend geformte Nut(en) (132) sind; Ausbilden eines Zugangslochs oder mehrer Zugangslöcher (140), durch den Boden (134) einer Nut (132), um die Nut (132) strömungstechnisch mit dem entsprechenden zumindest einen hohlen Innenraum (114) zu verbinden, und Aufbringen einer Beschichtung (150) auf zumindest einen Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110), wobei durch die Nut(en) (132) und die Beschichtung (150) ein oder mehrere einspringend ausgebildete Kanäle (130) zur Kühlung der Komponente (100) definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einspringend ausgebildete(n) Nut(en) (132) ausgebildet werden, indem ein Strahl (160) einer abrasiven Flüssigkeit in einem ersten Durchgang in einem zur Oberfläche (112) des Substrats (110) seitlichen Winkel geführt wird und danach in einem zweiten Durchgang in einem Winkel geführt wird, der im Wesentlichen dem seitlichen Winkel gegenüberliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Boden (134) einer entsprechenden Nut (132) circa 3- bis 4-mal breiter als die Oberseite (136) der jeweiligen Nut (132) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wand (138) einer entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut (132) in einem Winkel Φ von circa 20–45 Grad zur Senkrechten (52) der Oberfläche ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen einer Beschichtung (150) auf zumindest einen Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) das Durchführen eines der folgenden Verfahren umfasst: Ionen-Plasma-Beschichtung, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Hochgeschwindigkeitsluftspritzen (HVAF) oder Niederdruckplasmaspritzen (LPPS).
Komponente (100), die umfasst: ein Substrat (110), das eine Außenoberfläche (112) und eine Innenoberfläche (116) umfasst, wobei durch die Innenoberfläche (116) zumindest ein hohler Innenraum (114) definiert wird, wobei durch die Außenoberfläche (112) eine oder mehrere Nuten (132) definiert werden, wobei jede dieser Nuten (132) zumindest zum Teil entlang der Oberfläche (112) des Substrats (110) verläuft und einen Boden (134) und eine Oberseite (136) aufweist, wobei der Boden (134) breiter als die Oberseite (136) ist, so dass alle Nuten (132) einspringend ausgebildete Nuten (132) sind, wobei ein oder mehrere durchgehende Zugangslöcher (140) durch den Boden (134) einer entsprechenden Nut (132) ausgebildet sind, um entsprechende Nuten (132) strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden Innenräumen (114) zu verbinden, und zumindest eine Beschichtung (150), die auf zumindest einen Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) aufgebracht ist, wobei durch die Nut(en) (132) und die Beschichtung (150) ein oder mehrere einspringend ausgebildete Kanäle (130) zur Kühlung der Komponente (100) definiert werden.
Komponente (100) nach Anspruch 6, wobei der Boden (134) einer entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut (132) circa 3- bis 4-mal breiter als die Oberseite (136) der entsprechenden Nut (132) ist, und wobei eine Wand (138) einer entsprechenden einspringend ausgebildeten Nut (132) in einem Winkel Φ von circa 20–45 Grad zu einer Senkrechten 52 der Oberfläche ausgerichtet ist.
Komponente (100) nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung (150) die entsprechende(n) Nut(en) (132) derart vollständig überbrückt, dass durch die Beschichtung (150) die entsprechenden Kanäle (130) abgedichtet werden.
Komponente (100) nach Anspruch 6, wobei durch die Beschichtung (150) eine oder mehrere poröse Stellen (144) definiert werden, so dass die Beschichtung (150) nicht jede der Nuten (132) vollständig überbrückt.
Verfahren zur Beschichtung einer Komponente (100) ohne Verwendung eines Opfer-Füllmaterials, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer oder mehrerer Nuten (132) in einer Oberfläche (112) eines Substrats (110), wobei das Substrat (110) zumindest einen hohlen Innenraum (114) aufweist, wobei jede der Nuten (132) zumindest zum Teil entlang der Oberfläche (112) des Substrats (110) verläuft und einen Boden (134) und eine Oberseite (136) aufweist, und wobei die Oberseite (136) circa 0,1 mm bis 0,5 mm breit ist; Aufbringen einer Beschichtung (150) auf zumindest einen Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110), direkt über offenen Nuten (132), wobei durch die Nut(en) (132) und die Beschichtung (150) ein oder mehrere Kanäle (130) zum Kühlen der Komponente (100) definiert werden; Gießen des Substrats (110) vor der Ausbildung der Nut(en) (132) in der Oberfläche (112) des Substrats (110) und Ausbilden von einem oder mehreren Zugangslöchern (140), die durch den Boden (134) einer der Nuten (132) verlaufen, um die Nut (132) strömungstechnisch mit einem oder mehreren entsprechenden hohlen Innenräumen (114) zu verbinden, wobei die Beschichtung (150) zumindest eine der folgenden umfasst: eine Metallbeschichtung, eine Haftbeschichtung sowie eine thermische Schutzsperrschicht, und wobei das Aufbringen einer Beschichtung (150) auf zumindest einen Teil der Oberfläche (112) des Substrats (110) das Durchführen zumindest eines der folgenden Verfahren umfasst: Ionen-Plasma-Beschichtung, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Hochgeschwindigkeitsluftspritzen (HVAF) oder Niederdruckplasmaspritzen (LPPS).