DE60032824T2

DE60032824T2 - Mehrwandiger kern und verfahren

Info

Publication number: DE60032824T2
Application number: DE60032824T
Authority: DE
Inventors: A. Harry Muskegon WOODRUM; E. William Twin Lake SIKKENGA
Original assignee: Howmet Research Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2004504945A; EP1381481A2; WO2001045877A3; WO2001045877A8; EP1381481B1; ATE350182T1; JP4906210B2; US6626230B1; DE60032824D1; WO2001045877A2; EP1381481A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mehrwandiger Keramikkerne zum Gießen mehrwandiger Gusserzeugnisse.
STAND DER TECHNIK
Die meisten Hersteller von Gasturbinenmotoren bewerten hoch entwickelte Turbinentragflächen (d.h. Turbinenschaufeln oder Turbinenflügel) mit mehreren dünnen Wänden, die komplizierte Luftkühlungskanäle aufweisen, um die Effizienz der internen Tragflächenkühlung zu verbessern, um eine höhere Motorschubkraft zu ermöglichen und um eine zufrieden stellende Lebensdauer der Tragfläche bereitzustellen.
Die U.S. Patente USA-5.295.530 und US-5.545.003 beschreiben hoch entwickelte bzw. fortschrittliche mehrwandige, dünnwandige Konstruktionen für eine Turbinenschaufel oder einen Flügel, die zu diesem Zweck komplexe Luftkühlungskanäle aufweisen.
In dem U.S. Patent US-A-5.295.530 wird eine mehrwandige Kerneinheit hergestellt, indem eine erster dünnwandiger Keramikkern mit Wachs oder Kunststoff überzogen wird, wobei ein zweiter ähnlicher Keramikkern unter Verwendung temporärer Fixierungsstifte an dem ersten überzogenen Keramikkern positioniert wird, wobei Löcher durch die Keramikkerne gebohrt werden, wobei eine Fixierstange in jedes der Bohrlöcher eingeführt wird, und wobei danach der zweite Kern mit Wachs oder Kunststoff überzogen wird. Diese Ablauffolge wird nach Bedarf wiederholt, um die mehrwandige Keramikkerneinheit zu bilden.
Dieser Kernmontageprozess ist verhältnismäßig komplex, zeitaufwändig und teuer, und zwar als Folge des Einsatzes von Verbindungsstangen, Stiften und dergleichen sowie Bohrlöchern in den Kernen für die Aufnahme der Stangen sowie Anforderungen für das Einrichten für den Zusammenbau der Kernkomponenten mit der erforderlichen Genauigkeit in Bezug auf die Komponenten.
Benötigt wird ein Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Keramikkerns, das Verbindungs- oder Fixierungsstangen, Stifte und dergleichen für das Kernelement überflüssig macht, sowie zur Umgebung der Einschränkungen in Bezug auf das Einrichtungen, die bei der aktuellen Kernfertigungstechnologie gelten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Bedarf zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Keramikkerns zum Einsatz beim Gießen von Tragflächen, wie etwa von Turbinenschaufeln und Flügeln, wobei ein flüchtiges Muster mit mehreren dünnen Wandmusterelementen gebildet wird, die dazwischen Kernwandbildungszwischenräume definieren, wobei das Muster in einem Kernformungs-Matrizenhohlraum mit einer gewünschten Kernkonfiguration platziert wird; wobei ein fluidförmiger Keramikwerkstoff in den Matrizenhohlraum um das Muster und zwischen die Musterelemente eingeführt wird, so dass ein mehrwandiger Keramikkern gebildet wird, und wobei der Kern aus dem Matrizenhohlraum entfernt wird. Das flüchtige Muster wird selektiv von dem Kern entfernt, um einen mehrwandigen frischen Kern bereitzustellen. Der frische Kern kann danach gebracht werden, um dem Kern Festigkeit zum Gießen in einer Genaugussform zu verleihen. Die Musterelemente können in einer dreidimensionalen Musterkonfiguration durch sterolitographische Abscheidung des Mustermaterials, Spritzguss und andere Techniken gebildet werden.
Der auf diese Weise erzeugte mehrwandige Kern umfasst eine Mehrzahl räumlich getrennter, dünner Kernwände, die durch integrale Bereiche des geformten Kerns miteinander verbunden sind. Die Erfindung senkt die Kosten für die Kernmontage und sorgt für eine hohe Genauigkeit der Abmessungen und eine hohe Reproduzierbarkeit der Kernwände.
Vorgesehen ist gemäß der Erfindung ferner ein Verfahren zum Gießen einer Tragfläche gemäß dem gegenständlichen Anspruch 8 sowie mehrwandige Keramikkern- und Mustereinheit gemäß dem gegenständlichen Anspruch 9.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines flüchtigen Musters, das zur Herstellung eines mehrwandigen Kerns gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
2 eine Schnittansicht des Musters in einem Kernformungs-Matrizenhohlraum;
3 eine Schnittansicht des mehrwandigen Kerns, der um das flüchtige Muster in dem Kernmatrizenhohlraum ausgebildet ist; und
4 eine Schnittansicht des mehrwandigen Kerns, der genau gegossen ist in eine Keramik-Genaugussmaskenform, bei entferntem Wachs.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Bezug auf die Abbildungen der 1 bis 3 stellt die vorliegende Erfindung in dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel gemäß der Abbildung ein Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Keramikkerns 10 zum Einsatz beim Gießen einer eines mehrwandigen, dünnen Tragfläche (nicht abgebildet) bereit, welche eine Gasturbinenmotorschaufel und -flügel aufweist. Die Turbinenschaufel bzw. der Turbinenflügel oder das Turbinenblatt kann durch Gießen einer geschmolzenen Superlegierung gebildet werden, wie etwa einer bekannten Superlegierung mit Nickel- oder Kobaltbasis, in einer keramischen Genaugussmaskenform M, in der der Kern 10 gemäß der Abbildung aus 4 positioniert wird. Die geschmolzene Superlegierung kann, wie dies allgemein bekannt ist, direktional in der Form M um den Kern 10 verfestigt werden, um einen Säulenkörnungs- oder Einkristallguss mit dem Keramikkern 10 darin zu erzeugen. Alternativ kann die geschmolzene Superlegierung in der Form M verfestigt werden, um einen gleichachsigen Körnguss auf allgemein bekannte Art und Weise zu erzeugen. Der Kern 10 wird durch chemisches Laugen oder andere geeignete Techniken entfernt, so dass eine mehrwandige, gegossene Tragfläche mit inneren Kanälen zwischen den Wänden an den Bereichen verbleibt, die vorher durch die Kernwände W1, W2, W3, W4 belegt worden sind, wie dies nachstehend im Text beschrieben wird.
In Bezug auf die Abbildung aus 1 umfasst ein beispielhaftes flüchtiges Kernmuster 20 eine Mehrzahl (3 in der Abbildung) einzelner dünner, tragflächenförmiger, flüchtiger Musterelemente P1, p2, P3, die aneinander montiert oder integral geformt werden, so dass das mehrwandige Muster 20 gebildet wird. Die Musterelemente weisen allgemein ein Tragflächen-Querschnittsprofil auf, jeweils mit konkaven und konvexen Seiten und Vorder- und Hinterkanten, komplementär zu der zu gießenden Tragfläche, wie dies der Fachmann auf dem Gebiet erkennt. Die Musterelemente P1, P2, P3 werden aus Kunststoff, Wachs oder einem anderen flüchtigen Material und in der gewünschten dreidimensionalen Tragflächenform durch Spritzguss, eine sterolithografische oder andere Technik gebildet. Kunststoff- oder Wachsmusterelemente P1, P2, P3 können mit der Tragflächenkonfiguration unter Verwendung einer im Handel erhältlichen sterolithografischen Maschine (z.B. der sterolithografischen Maschine des Modells SLA500 von 3D Systems) hergestellt werden, die einen Kunststoff, wie etwa Epoxidharz, in aufeinanderfolgenden Schichten abscheidet, so dass das Muster gebildet wird. Die einzelnen Musterelemente P1, P2, P3 können auf diese Weise hergestellt und durch einen geeigneten Klebstoff miteinander verbunden werden, so dass die Mustereinheit 20 gebildet wird. Alternativ kann das Muster 20 als ein Teil bzw. ein Element durch Spritzguss hergestellt werden, wobei die Musterelemente P1, P2, P3 an den geformten Musterbereichen integral miteinander verbunden sind.
Die Musterelemente P1, P2, P3 können mit Fixierungs- bzw. Lokalisierungsmerkmalen gebildet werden, wie zum Beispiel Aussparungen 22 und Stiften bzw. Pfosten 24, die zusammenpassen, wodurch die Muster mit dreidimensionaler Präzision bzw. Genauigkeit im Verhältnis zueinander positioniert werden können. Die Musterelemente können ferner mit Löchern oder anderen Öffnungen 26 gebildet werden, die mit Keramikmaterial gefüllt werden, wenn der Kern gebildet wird. Zu anderen Merkmalen, die an den Musterelementen gebildet werden können, zählen unter anderem, ohne darauf beschränkt zu sein, Lagerblöcke, Turbulatoren, Umlenkbleche und ähnliche Merkmale, die an Turbinenblättern und Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Die zwischen den Musterelementen P1, P2, P3 und den Öffnungen 26 gebildeten Zwischenräume S1, S2 werden letztlich mit Keramikkernmaterial gefüllt, wenn der Kern in einem Kernmatrizenhohlraum um das Muster 20 gebildet wird.
Bei der Herstellung eines Kerns 10 zum Gießen einer Superlegierungs-Tragfläche, wie etwa einer Gasturbinenmotorschaufel oder eines Gasturbinenmotorblatts, weisen die Musterelemente P1, P2, P3 ein allgemeines Tragflächen-Querschnittsprofil auf, mit konkaven und konvexen Seiten und Vorder- und Hinterkanten, welche komplementär sind zu der zu gießenden Tragfläche, wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist.
Das Muster 20 wird in einem Kernformungs-Matrizenhohlraum 30 mit einer gewünschten Kernkonfiguration platziert, und fluidförmiger Keramikwerkstoff, wie etwa Keramikschlamm, wird in den Matrizenhohlraum um das Muster 20 und zwischen den Musterelementen P1, P2, P3 eingeführt. Die Erfindung ist nicht auf diese Kernbildungstechnik beschränkt und kann auch unter Einsatz der Kernformung durch Gießen, des Formens durch Schlickerguss, durch ein Spritzpressverfahren oder andere Kernformungstechniken ausgeführt werden. Das U.S. Patent US-A-5.296.308 beschreibt den Spritzguss von Keramikkernen.
Der Keramikkern kann Keramikwerkstoffe auf Silikabasis, auf Aluminabasis, auf Zirkonbasis, auf Zirkoniabasis oder andere geeignete Kern-Keramikwerkstoffe und Mischungen dieser umfassen, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind. Der spezielle Kern-Keramikwerkstoff bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung, wobei geeignete Kern-Keramikwerkstoffe in dem U.S. Patent US-A-5.394.932 beschrieben werden. Das Kernmaterial wird so ausgewählt, dass es aus dem darum gebildeten Tragflächenguss keramisch gelaugt werden kann, wie dies nachstehend im Text beschrieben wird.
Zum Einspritzen in den Kernmatrizenhohlraum geeignete Keramikschlämme sind unter anderem ein flüssiger Träger und/oder ein Bindemittel, wie etwa Wachs oder Silikonharz, um den Schlamm fließfähig zu machen, um um die Muster P1, P2, P3 und zwischen diese in dem Kernmatrizenhohlraum 30 zu füllen. Keramikpulver werden mit dem flüssigen Träger, Bindemittel und Katalysator gemischt, um den Schlamm zu bilden.
Der Keramikschlamm wird unter Druck in den Kernmatrizenhohlraum 30 eingespritzt und kann danach darin aushärten bzw. härten, so dass ein frischer Kernkörper gebildet wird. Danach wird der frische (ungebrannte) Kern 10 aus dem Matrizenhohlraum 30 entfernt und einer Sichtprüfung unterzogen, bevor er weiter verarbeitet wird, so dass etwaige fehlerhafte Kerne entsorgt werden können.
Nach der Entfernung aus dem entsprechenden Kernmatrizenhohlraum 30 wird das Muster 20 selektiv von dem frischen Kern entfernt, und zwar durch thermische, chemische Auflösung oder eine andere Behandlung zur Musterentfernung, wobei ein mehrwandiger Kern verbleibt. Die thermische Behandlung umfasst die Erwärmung des frischen Kerns mit daran vorgesehenem Muster in einem Ofen auf eine erhöhte Temperatur, um das Mustermaterial zu schmelzen, zu verdampfen oder auszubrennen.
Danach wird der frische Kern 10 auf erhöhter Temperatur auf einer Keramikofenstütze oder einem Schiffchen gebrannt, mit einem Bett aus Keramikpulver, wie zum Beispiel Alumina (nicht abgebildet). Die Keramikofenstütze weist eine obere Trägeroberfläche auf, die so konfiguriert ist, dass sie während dem Brennen die angrenzende Oberfläche des darauf ruhenden Kerns trägt. Die untere Oberfläche der Keramikofenstütze wird auf einer herkömmlichen Trägereinrichtung platziert, so dass mehrere Kernelemente in einen herkömmlichen Kernbrennofen zum Brennen unter Verwendung herkömmlicher Kernbrennparameter an dem jeweiligen Keramikwerkstoff des Kernelements geladen werden können.
Der auf diese Weise erzeugte gebrannte mehrwandige Keramikkern 10 umfasst eine Mehrzahl räumlich getrennter dünnwandiger, tragflächenförmiger Kernwände W1, W2, W3, W4, die integral verbunden sind durch geformte Kernbereiche und Stifte bzw. Pfosten PP, wo der Keramikwerkstoff die Öffnungen 26 füllt.
Der mehrwandige Keramikkern 10 wird danach bei einer weiteren Verarbeitung eingesetzt, um eine Genaugussform darum zu bilden, zur Verwendung beim Gießen von Superlegierungs-Tragflächen. Im Besonderen wird dehnbares bzw. erweiterbares Musterwachs, Kunststoff oder ein anderes Material um den Kern 10 und in die Zwischenräume zwischen den Wänden W1, W2, W3, W4 in einen Musterinjektions-Matrizenhohlraum (nicht abgebildet) eingeführt, um eine Kern-/Mustereinheit zu bilden. Für gewöhnlich wird der Kern 10 zu diesem Zweck in einem Mustermatrizenhohlraum platziert, und geschmolzenes Wachs wird um den Kern 10 und in die Zwischenräume zwischen den Kernwänden eingespritzt. Die Kern-/Mustereinheit wird genau gegossen in Keramikformmaterial gemäß dem allgemein bekannten Wachsausschmelzgussverfahren durch wiederholtes Eintauchen in Keramikschlamm, Ablaufen lassen von überflüssigem Schlamm und Stukkatieren mit grobkörnigem Keramikstuck, bis sich eine Maskenform an der Kern-/Mustereinheit in einer gewünschten Dicke gebildet hat. Das Muster wird selektiv von der Maskenform M durch thermische oder chemische Auflösungstechniken entfernt, so dass die Maskenform M mit der Kerneinheit 10 darin verbleibt, wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist. Die Maskenform wird danach auf erhöhter Temperatur gebrannt, um eine Formfestigkeit für den Guss zu entwickeln.
Geschmolzene Superlegierung wird in die gebrannte Form M mit dem darin angeordneten Kern unter Verwendung herkömmlicher Gusstechniken eingeführt. Die geschmolzene Superlegierung kann direktional in der Form M um den Kern 10 verfestigt werden, so dass ein Säulenkorn- oder Einkristall-Tragflächengusserzeugnis gebildet wird. Alternativ kann die geschmolzene Superlegierung verfestigt werden, so dass ein gleichachsiges, gekörntes Tragflächengusserzeugnis gebildet wird. Die Form M wird aus dem verfestigten Gusserzeugnis unter Verwendung einer mechanischen Ausstoßoperation entfernt, gefolgt von einer oder mehreren bekannten chemischen Laug- oder mechanischen Sandstrahltechniken. Der Kern 10 wird selektiv aus dem verfestigten Tragflächengusserzeugnis durch chemisches Laugen oder durch andere herkömmliche Kernentfernungstechniken entfernt. Die vorher durch die Kernwände W1, W2, W3, W4 belegten Zwischenräume umfassen interne Kühlluftkanäle in dem Tragflächengusserzeugnis, während die Superlegierung in den Zwischenräumen zwischen den Kernwänden Innenwände der Tragfläche bildet, welche die Kühlluftkanäle separieren bzw. trennen.
Die vorliegende Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass der Keramikkern gebildet werden kann, ohne dass Kernelement-Verbindungs- oder Fixierungsstangen, -stifte und dergleichen erforderlich sind, sowie die Umgebung von Einschränkungen in Bezug auf das Einrichten, die gemäß der aktuellen Fertigungstechnologie erforderlich sind.
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Abänderungen in Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der in den anhängigen Ansprüchen ausgeführt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrwandigen Keramikkerns (10) zum Gießen einer Tragfläche, wobei das Verfahren das Bilden eines flüchtigen Musters (20) mit mehreren dünnen Wandmusterelementen (P₁, P₂, P₃) umfasst, die inneren Wandbildungszwischenräumen des fertigen Kerns entsprechen; das Platzieren des Musters in einem Kernformungs-Matrizenhohlraum (30) mit einer gewünschten Kernkonfiguration; das Einführen von fluidförmigem Keramikwerkstoff in den Matrizenhohlraum um das Muster und zwischen die Musterelemente, so dass ein Keramikkern gebildet wird; das Entfernen des Kerns aus dem Matrizenhohlraum; und das selektive Entfernen des Kerns, um einen mehrwandigen Kern bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses das Brennen des Kerns (10) zur Entwicklung von Kernfestigkeit für den Guss aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüchtige Muster (20) mehrere, zusammen montierte Musterelemente (P₁, P₂, P₃) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüchtige Muster (20) mehrere, integral gemeinsam geformte Musterelemente (P₁, P₂, P₃) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Muster (20) einen Kunststoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Kunststoff ein Epoxidharz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Musterelemente (P₁, P₂, P₃) durch sterolitographische Abscheidung gebildet werden.
Verfahren zum Gießen einer Tragfläche, wobei ein gemäß dem Verfahren aus Anspruch 2 hergestellter Kern (10) in einer Genaugussform (M) positioniert wird, und wobei geschmolzene Superlegierung in der Form um den Kern gegossen wird.
Mehrwandige Keramikkern- und Mustereinheit, die einen Keramikkern (10) umfasst, der um und zwischen ein flüchtiges Muster (20) geformt ist, mit mehreren dünnwandigen, tragflächenförmigen Musterelementen (P₁, P₂, P₃), die den inneren wandbildenden Zwischenräumen (51, 52) des fertigen Kerns entsprechen.
Kern- und Mustereinheit nach Anspruch 9, wobei das Muster (20) einen Kunststoff umfasst.