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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen
einer Abscheidung aus einem Durchgangsloch einer Komponente gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und auf eine Komponente gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
6. Spezieller ist diese Erfindung auf ein Verfahren zum Entfernen
von Überzugsabscheidungen
aus Durchgangslöchern
in einer Komponentenoberfläche
ohne Beschädigen
der Lochwandungen und der Komponentenoberfläche und auf eine Gasturbinen-Triebwerks-Komponente
gerichtet, die mit Kühllöchern ausgerüstet ist,
deren Kühlwirksamkeit
als ein Resultat des Entfernungsverfahrens gefördert ist.
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Komponenten
in gewissen Abschnitten von Gasturbinen-Triebwerken, wie der Turbine,
dem Brenner und dem Verstärker,
sind häufig
mit einer Keramikschicht thermisch isoliert, um ihre Betriebstemperaturen
zu verringern, was es dem Triebwerk gestattet, bei höheren Temperaturen
wirksamer zu arbeiten. Diese Überzüge, die
häufig
als Wärmesperrüberzüge (WSÜ) bezeichnet
werden, müssen
eine geringe thermische Leitfähigkeit
aufweisen, fest am Gegenstand haften und während vieler Heiz- und Kühlzyklen
haften bleiben. Überzugssysteme,
die diese Anforderungen erfüllen,
schließen
typischerweise einen metallischen Bindeüberzug ein, der die thermisch
isolierende Keramikschicht an der Komponente haften lässt und
das bildet, was ein WSÜ-System
genannt werden kann. Metalloxide, wie Zirkoniumdioxid (ZrO2), das teilweise oder vollständig durch
Yttriumoxid (Y2O3),
Magnesiumoxid (MgO) oder andere Oxide stabilisiert ist, wurden in weitem
Rahmen als das Material für
die thermisch isolierende Keramikschicht eingesetzt. Die Keramikschicht
wird typischerweise durch Luftplasmasprühen (APS), Niederdruck-Plasmasprühen (LPPS)
oder durch eine physikalische Dampfabscheidungs(PvD)-Technik, wie physikalische
Elektronenstrahl-Dampfabscheidung (EBPVD), abgeschieden. Bindeüberzüge werden
typischerweise aus einem oxidationsbeständigen Diffusionsüberzug,
wie einem Diffusions-Aluminid oder Platinaluminid, oder einer oxidationsbeständigen Legierung,
wie MCrAlY (worin M Eisen, Cobalt und/oder Nickel ist), gebil-det.
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Während WSÜ-Systeme
einen signifikanten Wärmeschutz
für das
darunter liegende Komponentensubstrat bilden, ist häufig das
interne Kühlen
von Komponenten, wie Brennerauskleidungen und Turbinenschaufeln
(Laufschaufeln) und -düsen
(Schaufeln) erforderlich und kann in Kombination mit oder anstelle
eines WSÜ benutzt
werden. Luftgekühlte
Komponenten eines Gasturbinen-Triebwerkes
erfordern typischerweise, dass die Kühlluft-Strömung durch sorgfältig konfigurierte
Kühllöcher abgegeben
wird, die einen Kühlfilm über die
Komponentenoberfläche
verteilen, um die Wirksamkeit der Kühlströmung zu erhöhen. Die Wirksamkeit eines
Kühlloches
kann durch den Durchfluss-Koeffizienten, Cd,
quantifiziert werden, der das Verhältnis der wirksamen Fläche eines
Kühlloches
auf der Grundlage von Strömungsmessungen
zur physikalischen Fläche
des Loches ist. Die wirksame Fläche
ist geringer als die physikalische Fläche als ein Resultat von Oberflächen-Bedingungen
innerhalb des Loches, die den Eingang und Ausgang des Loches einschließen, die
der Luftströmung
durch das Loch Widerstand entgegensetzen. Folglich sind Verfahren,
mit denen Kühllöcher gebildet
und konfiguriert werden, kritisch, weil die Größe, Gestalt und Oberflächen-Bedingungen
jeder Öffnung
die Menge der Luftströmung
bestimmen, die durch die Öffnung
austritt und die Gesamtströmungs-Verteilung
innerhalb des das Loch enthaltenden Kühlkreislaufes beeinflussen.
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Für Komponenten,
die keinen WSÜ erfordern,
werden Kühllöcher typischerweise
durch solche konventionellen Bortechniken, wie elektrische Entladungsbearbeitung
(EDM) und Laserbearbeitung, oder mit komplexen fortgeschrittenen
Gießtechniken
hergestellt, die Gusskörper
mit dimensionsmäßig korrekten Öffnungen
ergeben. Typische Durchfluss-Koeffizienten für EDM- und Lasergebohrte Kühllöcher in
luftgekühlten Brennerauskleidungen
liegen in der Größenordnung
von etwa 0,72 bzw. etwa 0,88 oder weniger. EDM kann nicht zum Bilden
von Kühllöchern in
einer Komponente benutzt werden, die einen WSÜ aufweist, da die Keramik elektrisch
nicht leitend ist und durch das Laserbearbeiten der spröde keramische
WSÜ durch
Reißen
der Grenzfläche
zwischen dem Komponentensubstrat und der Keramik abspaltet. Demgemäß werden
Kühllöcher häufig durch
EDM und Laserbohren nach dem Abscheiden des Bindeüberzuges
aber vor dem Aufbringen des WSÜ hergestellt.
Die Anwesenheit von WSÜ-Abscheidungen
in den Kühllöchern einer
luftgekühlten
Komponente kann jedoch die Lebenszeit der Komponente als ein Resultat
der Änderung
der Gestalt und der Verringerung der Größe der Kühllochöffnungen durch den WSÜ beeinträchtigen.
Für durch
Plasmaspritzen (APS und LPPS) abgeschiedene WSÜs kann eine signifikante Keramikmenge
in den Kühllöchern abgeschieden werden,
wenn man einen genügend
dicken WSÜ abscheidet,
um solche Komponenten im heißem
Abschnitt, wie Brennerauskleidungen, thermisch zu isolieren. Das
Zusetzen von Kühllöchern mit
WSÜ tritt
nicht nur bei neu hergestellten luftgekühlten Komponenten, sondern
auch dann auf, wenn man einen WSÜ auf
einer vom Einsatz zurückkommenden
Komponente abschleift. Während
des Abschleifens werden typischerweise der gesamte existierende
Bindeüberzug
und WSÜ entfernt
und dann werden ein neuer Bindeüberzug
und WSÜ abgeschieden,
mit dem Resultat, dass Kühllöcher durch
Abscheidungen sowohl des Bindeüberzugs-
als auch des WSÜ-Materials
zugesetzt werden können.
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Aus
dem Obigen ist ersichtlich, dass das Herstellen und Abschleifen
einer luftgekühlten
Komponente, die durch einen WSÜ geschützt ist,
durch die Anforderung verkompliziert wird, dass die Kühllöcher eine
geeignete Größe und Gestalt
behalten. Typische Lösungen
bestehen darin, dass die Dicke des aufgebrachten WSÜ begrenzt
wird oder bevorzugter eine Endbearbeitung auszuführen, um Keramik aus den Kühllöchern zu
entfernen, um die erwünschte
Größe und Gestalt
der Öffnungen
wieder herzustellen. Es wurden für
diesen Zweck verschiedene Techniken vorgeschlagen. Die japanische
offengelegte Patentschrift No. Heisei 9-158702 offenbart ein Verfahren, mit
dem ein Strömungsmittel
bei Drücken
von 500 kgf/cm2 (etwa 490 bar) oder mehr
in das Innere einer luftgekühlten
Komponente derart eingeführt
wird, dass das Strömungsmittel
durch die Kühllochöffnungen
fließt
und dabei Keramikmaterial entfernt, das die Kühllöcher als ein Ergebnis des Überziehens
der Komponente mit dem Keramikmaterial nach dem Herstellen des Kühlloches
blockiert hatte. Eine andere Technik ist in der US-PS 6,004,620
von Camm offenbart, bei der in einem Kühlloch angesammelte Keramik
mit einem Strahl entfernt wird, der gegen die nicht überzogene
Oberfläche
des Loches gerichtet ist. Camm benutzt einen im Wesentlichen aus
einer Flüssigkeit,
wie Wasser, bestehenden Strahl bei sehr hohen Drücken. Camm lehrt, dass der Überzugs
außerhalb
des Loches auf der überzogenen
Oberfläche
unbeschädigt
ist, weil die Komponente selbst als eine Maske dient, um den Strahl
daran zu hindern, den Überzug
zu erodieren. Die US-PS 6,004,620 ist der nächste Stand der Technik und
offenbart ein Verfahren dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Produkt
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 6.
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Während es
bekannt ist, einen Wasserstrahl dahingehend zu modifizieren, dass
er ein Schleifmedium (d.h., im Wesentlichen nicht kugelige Teilchen
mit scharfen Ecken und Kanten) enthält, hat die Praxis gezeigt, dass
die Erosion und der Abrieb, die durch Schleifteilchen in einem Wasserstrahl
bei Drücken
verursacht werden, die angemessen sind, eine Keramik-Abscheidung
zu entfernen, das Kühlloch
und die umgebende Oberfläche
der Komponente schwer beschädigen
können.
Zusätzlich
zerbrechen Schleifmaterialien in einem schleifenden Strömungsmittelstrahl
bis zu dem Punkt, wo das Schleifmedium nicht wieder verwendet werden kann
oder es schwierig ist, es von dem durch den Strahl entfernten Material
zu trennen. Als ein Resultat muss das verbrauchte Schleifströmungsmittel
entsorgt werden, was zu unerwünschten
Kosten des Verfahrens beiträgt.
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Diese
Probleme werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 der vorliegenden
Anmeldung gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen von Abscheidungen aus
einem Durchgangsloch in einer Komponente bereitgestellt, von denen
ein Beispiel Abschnitte eines metallischen und/oder keramischen Überzugsmaterials
sind, die auf einer Oberfläche
einer luftgekühlten
Gasturbinen-Triebwerkskomponente
abgeschieden sind. Das Verfahren ist besonders wirksam bei der Entfernung
eines WSÜ-Materials,
das als ein Resultat des Überziehens
einer Oberfläche
der Komponente mit dem WSÜ-Material
in einem Kühlloch
einer Komponente abgeschieden ist, wobei die Abscheidung aus dem
Kühlloch
ohne Beschädigen
des Kühlloches
oder des WSÜ entfernt
wird, der das Kühlloch
auf der überzogenen Oberfläche der
Komponente umgibt. Ein bevorzugtes Merkmal ist es, dass das Kühlloch,
einschließlich
dem Eingang zum Loch und dem WSÜ-Material,
das den Ausgang des Loches umgibt, verbesserte Oberflächen-Charakteristika
zeigt, die den Durchfluss-Koeffizienten des Kühlloches vergrößern, wie
durch eine Zunahme der effektiven Fläche des Kühlloches gezeigt.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Überzug auf der Komponentenoberfläche derart
abgeschieden, dass Abscheidungen die Durchgangslöcher nicht vollständig verschließen und
dadurch Bezugs- bzw. Vergleichslöcher
liefern. Die Verarbeitungsstufen schließen das Richten eines Flüssigkeitshaltigen
Strahles von der Oberfläche
der Komponente gegenüber
der überzogenen
Oberfläche
auf ein Durchgangsloch ein. Der Strahl enthält nicht schleifendes Teilchenmedium,
das, wie es hierin definiert ist, die Medienteilchen vom Schleifmedium
unterscheidet, das in schleifenden Schneidverfahren benutzt wird
und deren Teilchen scharfe Ecken und Kanten aufweisen. Der Strahl
wird bei einem Druck aus einer Düse
emittiert, der nicht genügt,
wirksam im Wesentlichen die gesamte Abscheidung aus dem Loch zu
entfernen, wäre
das Teilchenmedium nicht im Strahl vorhanden. Als ein Resultat erfolgt
die Entfernung der Abscheidung primär durch das durch den Strahl
angetriebene Teilchenmedium und nicht durch den Strahl selbst. Ein
bemerkenswertes Merkmal der Erfindung ist die Herstellung einer
Komponente, deren Oberflächen,
die das Loch umgeben und die innerhalb des Loches vorhanden sind,
entgratet und geglättet
sind, so dass der Durchfluss-Koeffizient des Loches zugenommen hat.
Im Besonderen haben die Oberflächenzustände dieser
Oberflächen
das Aussehen, dass sie beaufschlagt wurden, was sich sichtbar von
durch EDM und Laserbearbeitung erzeugten Oberflächen unterscheidet. Die gemäß dieser
Erfindung behandelten Oberflächen
der Löcher
unterscheiden sich auch von dem, was existiert, wenn Abscheidungen
nur mit einem Wasserstrahl allein entfernt wurden, weil Wasserstrahlen
die Oberfläche
des Loches nicht merklich modifizieren. Der Oberflächenzustand
und das Aussehen dieser Oberflächen
unterscheiden sich auch von dem, was existiert, wenn eine Abscheidung
mit einem Wasserstrahl entfernt wurde, der ein Schleifmaterial enthält, da Schleifmittel
allgemein die Oberflächen
des Loches und der umgebenden Komponente schneiden und/oder aushöhlen.
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In
Anbetracht des Obigen ist der nicht schleifende Strahl, der im Verfahren
dieser Erfindung benutzt wird, in der Lage, Abscheidungen aus einem
Durchgangsloch zu entfernen, ohne die Oberfläche der Komponente, die den
Eingang zu dem Loch umgibt, und die Wandungen des Loches zu beschädigen oder
eine signifikante Materialmenge davon zu entfernen und ohne einen
metallischen oder keramischen Überzug,
der den Ausgang des Loches umgibt, zu zerspanen. Verglichen mit
Kühllöchern, die
durch EDM und Laserbearbeiten in luftgekühlten Komponenten gebildet
sind, haben gemäß dieser
Erfindung hergestellte Kühllöcher höhere Durchfluss-Koeffizienten,
wie durch höhere
wirksame Flächen,
verglichen mit der physikalischen Querschnittsfläche der Löcher, gezeigt. Als ein Resultat
sind gemäß dieser
Erfindung hergestellte Kühllöcher wirksamer hinsichtlich
ihrer Kühlfähigkeit.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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1 eine
Schnittansicht durch ein Kühlloch
einer Brennerauskleidung, die als ein Resultat der Überzugsabscheidung
die Abscheidung eines Überzuges
auf einer Oberfläche
der Auskleidung und eine Abscheidung innerhalb des Kühlloches
zeigt,
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2 eine
Querschnittsansicht des Kühlloches
nach der Entfernung der Abscheidung aus dem Kühlloch gemäß dieser Erfindung,
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3 drei
Kühllöcher, von
denen zwei durch EDM und Laserbohren gebildet und in dem Zustand
gezeigt sind, in dem sie hergestellt sind, das Dritte ist durch
Laserbohren gebildet und dann mit einem Wasserstrahl behandelt,
der ein nicht schleifendes Medium gemäß dieser Erfindung enthält,
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4, 5, 6 und 7 sind
gescannte Bilder, die das Aussehen Lasergebohrter Durchgangslöcher im
hergestellten Zustand, nach dem Herstellen und Sandstrahlen, nach
dem Überziehen
und dann Bearbeiten mit einem nur Wasser enthaltenden Strahl und
nach dem Überziehen
und dann Behandeln mit einem Strahl, der ein nicht schleifendes
Medium gemäß dieser
Erfindung enthält,
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8 zwei
gescannte Bilder von Querschnitten durch ein Lasergebohrtes Durchgangsloch
nach dem Behandeln mit einem Strahl, der ein nicht schleifendes
Medium gemäß dieser
Erfindung enthält,
in unterschiedlichen Vergrößerungen.
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Die 1 und 2 zeigen
Querschnittsansichten durch ein Kühlloch 12, das zwei
gegenüber
liegende Oberflächen 14 und 16 einer
luftgekühlten
Brennerauskleidung 10 eines Gasturbinen-Triebwerkes schneidet. Die Auskleidung 10 kann
aus einer Superlegierung auf Eisen-, Nickel- oder Cobaltgrundlage
gebildet sein, obwohl andere Hochtemperatur-Materialien in vorhersehbarer
weise eingesetzt werden könnten.
wie im Stande der Technik bekannt, wird zur Minimierung der Betriebstemperatur
der Auskleidung 10 Wärme
durch Drücken
von Zapfluft durch das Kühlloch 12 aus
einem Durchgang, der teilweise durch die Oberfläche 16 gebildet ist, übertragen.
Zusätzlich
kann die Menge der zur Oberfläche 14 der
Auskleidung 10 übertragenen
Wärme durch
Bilden des Kühlloches 12 derart
verringert werden, dass dieses in einem spitzen Winkel 28 zur
Oberfläche 14 der
Auskleidung 10 angeordnet ist, sodass aus dem Kühlloch 12 austretende
Luft über
die Oberfläche 14 der
Auskleidung 12 strömt.
Geeignete Techniken zum Bilden des Loches schließen EDM und Laserbohren ein,
obwohl es vorhersehbar ist, dass das Loch 12 durch solche
anderen Verfahren gebildet werden könnte, wie Gießen oder
Bearbeiten mit einem schleifenden Wasserstrahl. Als ein Resultat
der Herstellung hat das Kühlloch 12 eine
lineare Achse 18 und einen im Wesentlichen gleichmäßigen kreisförmigen Querschnitt.
Um die Wärmeübertragung
von der Auskleidung 10 zu fördern, ist das Kühlloch 12 sorgfältig konfiguriert,
um seine Wirksamkeit zu maximieren, die durch seinen Durchfluss-Koeffizienten
quantifiziert ist, der von der Geometrie des Loches 12 und
irgendwelchen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
innerhalb des Loches 12 abhängig ist.
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Die
in 1 gezeigte Auskleidung 10 hat einen Überzug 20,
der auf der Oberfläche 14 der
Auskleidung 10 abgeschieden ist. Der Überzug 20 kann ein
metallisches Material, ein Keramikmaterial oder beides in Form eines
WSÜ-Systems
sein, das einen metallischen Bindeüberzug und einen Keramik-WSÜ umfasst.
Besonders geeignete Bindeüberzugs-Materialien
schließen
Diffusionsaluminid- und/oder MCrAlY-Überlagerungs-Überzüge ein,
während
ein geeignetes WSÜ-Material
Zirkoniumdioxid ist, das teilweise mit Yttriumoxid stabilisiert
ist (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdi-oxid oder YSZ), obwohl
Zirkoniumdioxid benutzt werden könnte,
das vollständig
mit Yttriumoxid stabilisiert ist, ebenso wie Zirkoniumdioxid, das
durch andere Oxide stabilisiert ist, wie Magnesium-oxid (MgO), Calciumoxid
(CaO), Ceroxid (CeO2) oder Scandiumoxid
(Sc2O3). Das Kühlloch 12 weist,
als ein Resultat des Verfahrens, mit dem der Überzug 20 abgeschieden
wurde, eine Abscheidung 22 auf, die an seiner Wandung 24 haftet. 1 zeigt
den Überzug 20,
der durch Plasmaspritzen, wie Luftplasmaspritzen (APS) und Niederdruck-Plasmaspritzen (LPPS),
abgeschieden wurde, obwohl andere Abscheidungsverfahren benutzt
werden könnten.
Um den Überzug 20 aufzubringen,
kann die Auskleidung 10 auf einem konventionellen (nicht
gezeigten) Drehtisch angeordnet sein, und eine geeignete Spritzvorrichtung ist
benachbart dem Drehtisch angeordnet, um das Überzugsmaterial aufzubringen,
während
die Auskleidung 10 gedreht wird.
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1 zeigt
eine Düse 26 eines
Spritzkopfes, durch den das Überzugsmaterial
aufgebracht wird. Die Spritzdüse 26 ist
in einem Winkel 30 mit Bezug auf die Achse 18 des
Loches 12 angeordnet und scheidet den Überzug 20 bis zu einer
Dicke ab, die in Kombination mit dem Spritzwinkel 30 ausgewählt ist,
um zu verhindern, dass der Überzug 20 das
Loch 12 vollständig
füllt.
Ein bevorzugter Spritzwinkel 30 ist größer als 90° mit Bezug auf die Achse 18,
um die Größe der Abscheidung 22 zu
minimieren, d.h., die Menge des Überzugsmaterials,
die auf der Wand 24 des Loches 12 gegenüber der
Spritzdüse 26 abgeschieden
wird. Zusätzlich
wird das Überzugsmaterial
vorzugsweise auf die Oberfläche 14 der
Auskleidung 10 in einem Einfallwinkel 32 von mindestens
etwa 45° mit
Bezug auf die Oberfläche 14 gespritzt,
weil Einfallswinkel 32 von weniger als etwa 45° dazu führen, dass
der Überzug 12 ungeschmolzene
Bereiche, Hohlräume
und eine geringere Zugfestigkeit aufweist. In Anbetracht dieser
Betrachtungen ist bei der Abscheidung eines Überzuges 20 auf einer
Auskleidung 10 mit Kühllöchern 20,
die in einem Winkel 28 von etwa 20° angeordnet sind und Durchmesser
von etwa 0,50 bis etwa 0,75 mm (0,020 bis 0,030 Zoll) aufweisen,
eine geeignete Orientierung für
die Spritzdüse 26 ein Einfallswinkel
von etwa 45° zur
Oberfläche 14 der
Auskleidung 10 und ein Winkel 28 zur Achse 18 der
Löcher 12 von
etwa 135°.
Um sicherzustellen, dass ein metallischer Überzug 20 (z.B. ein
Bindeüberzug),
nicht vollständig
das Loch 12 blockiert, beträgt die Dicke des Überzuges 20 vorzugsweise
etwa 0,10 bis etwa 0,25 mm (etwa 0,004 bis etwa 0,010 Zoll), bevorzugter
etwa 0,10 bis etwa 0,20 mm (etwa 0,004 Zoll bis etwa 0,008 Zoll). Wird
ein Keramiküberzug 20 (z.B.
WSÜ) abgeschieden,
dann beträgt
die Dicke des Überzuges 20 vorzugsweise
etwa 0,075 bis etwa 0,50 mm (etwa 0,003 Zoll bis etwa 0,020 Zoll),
bevorzugter etwa 0,25 mm (0,010 Zoll), um sicherzustellen, dass
der Überzug 20 das
Loch 12 nicht vollständig
blockiert. In jedem Falle liefert der ungefüllte Abschnitt des Loches 12 ein
Bezugsloch, wie sich aus 1 ergibt.
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Ist
die Auskleidung 10 frisch hergestellt und der Überzug 20 ein
metallischer Bindeüberzug,
dann kann die Abscheidung 22 durch EDM oder Laserbohren
entfernt werden. Ist jedoch der Überzug 20 ein
WSÜ oder wurde
die Auskleidung 10 vom Gebrauch zurückgegeben, dann wird der Überzug 20 mit
einem nicht abschleifenden Strahl 34, der in 2 als
aus der Düse 36 etwa
koaxial ausgerichtet mit der Achse 18 des Kühlloches 12 emittiert
wird, entfernt. Gemäß der Erfindung
ist ein nicht abschleifender Strahl 34 in der Lage, die
Abscheidung 22 von der Kühllochwandung 24 ohne
Beschädigung
der Auskleidung 10, der Wand 24 oder des Überzuges 20 zu
entfernen und zusätzlich
fördert
er die Effizienz des Kühlloches 12.
Der durch die Erfindung eingesetzte Strahl 34 wird nicht
abschleifend genannt, weil er ein nicht abschleifendes Medium in
einem Träger-Strömungsmittel
enthält.
Während
verschiedene Strömungsmittel
benutzt werden könnten,
wird Wasser bevorzugt, weil es als um weltmäßig sicher gilt und das Überzugsmaterial
oder die Auskleidung 10 nicht chemisch beeinflusst. Ein
geeignetes Verfahren benutzt Wasser mit einem Druck von etwa 1100
bar (etwa 16000 psi), vorzugsweise mindestens etwa 400 bar (6000
psi) bis zu etwa 1000 bar (etwa 15000 psi). Der Strahl 34 enthält vorzugsweise
etwa 10 bis etwa 30 Gew.-% des nicht schleifenden Mediums, wobei
ein Mediengehalt von etwa 20 Gew.-% ausgezeichnete Resultate ergibt.
Als ein nicht schleifendes Medium haben Teilchen im Strahl 34 keine
scharfen Ecken und Kanten, wie sie auf schleifenden Materialien
gefunden werden, und statt dessen haben sie vorzugsweise eine kugelförmige Gestalt,
wie im Falle von kugelförmigen
Glasperlen der Art, wie sie zum Hämmern benutzt wird. Ein Beispiel
eines geeigneten nicht schleifenden Mediums sind Perlen, die aus
Soda-Kalk-Glas oder Metalloxiden geformt sind und Durchmesser von
etwa 45 bis etwa 90 μm
(US-Maschengröße von 325
bis 170 der Militärspezifikation
G-9954A Mil 13) aufweisen. Es wird angenommen, dass ein
anderes geeignetes nicht schleifendes Medium Körner aus korrosionsbeständigem Stahl,
allgemein im gleichen Bereich der Teilchengrößen, sind. Größere Teilchen
erfordern im Allgemeinen einen geringeren Gehalt des Mediums im
Strahl, während
kleinere Teilchen im Allgemeinen einen höheren Gehalt des Mediums erfordern,
die beide die Wirksamkeit des Strahles zu beschränken scheinen. Mindestens etwa
70% des Mediums und bevorzugter mindestens 95% des Mediums haben
eine kugelförmige
Gestalt, um eine unangemessene Beschädigung oder ein unangemessenes
Abschleifen des Kühlloches 12 zu
vermeiden.
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Bei
dem Verfahren zum Entfernen entweder eines metallischen oder eines
Keramiküberzuges 20 kann die
Auskleidung 10 auf einem (nicht gezeigten) Drehtisch angeordnet
und der Drehtisch gedreht werden, während die Düse 36, die mit einer
geeig neten Wasserstrahl-Vorrichtung verbunden ist, den nicht schleifenden Strahl 34 durch
das Bezugsloch abgibt, das nach der Abscheidung des Überzuges 20 verblieben
ist. Wie in 2 gezeigt, wird der Strahl 34 auf
den Eingang des Loches 12, das an der Oberfläche 16 der
Auskleidung 10 gegenüber
dem Überzug 20 angeordnet
ist, gespritzt. Ein geeigneter Abstand (der Abstand zwischen der Düse 36 und
der Oberfläche 16 der
Auskleidung 10) beträgt
etwa 20 bis 50 mm (etwa 0,8 bis 2 Zoll), obwohl größere und
geringere Abstände
vorhersehbar sind. Bei diesen Abständen hat der Strahl 34 vorzugsweise
einen Durchmesser von etwa 1,3 bis etwa 3,8 mm (etwa 0,050 bis etwa
0,150 Zoll). Anders als die Überzüge 20, die
vorzugsweise in einem Winkel 32 mit Bezug auf die Oberfläche 14 aufgebracht
werden, ist der Strahl 34 vorzugsweise in einer Richtung
allgemein parallel zur Achse 18 jedes Loches 12 in
der Auskleidung 10 ausgerichtet, um die Entfernung der
Abscheidung 22 zu erleichtern. Es wurde festgestellt, dass
die Entfernung der Abscheidung 22 weiter dadurch erleichtert
werden kann, dass man den Überzug 20 bis
zu einer Dicke abscheidet, die ein Bezugsloch ergibt, dessen Durchmesser
etwa 0,15 bis etwa 0,25 mm (etwa 0,006 bis etwa 0,010 Zoll) beträgt. Wegen
der Bevorzugung, die Menge des Überzuges 20,
der zu irgendeiner gegebenen Zeit abgeschieden ist, zu begrenzen,
um sicherzustellen, dass an der Oberfläche 14 der Auskleidung 10 ein
Bezugsloch verbleibt, können
mehrere Abscheidungsstufen ausgeführt werden, um einen Überzug 20 aufzubauen, der
die erwünschte
Dicke aufweist, wobei auf jede Abscheidungsstufe die Entfernung
der angesammelten Abscheidung 22 unter Benutzung des nicht
schleifenden Strahles 34 erfolgt.
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Ein
nicht schleifender Wasserstrahl 34, wie er oben beschrieben
ist, entfernt, wie gefunden wurde, sowohl metallische als auch Keramikabscheidungen 22 aus
einem Kühlloch 12 ohne
Be schädigen
der Kühllochwand 24 und
ohne Abspalten des Überzuges 20,
der das Loch 12 umgibt. Obwohl eine Bindung an irgendeine spezielle
Theorie nicht erwünscht
ist, wird angenommen, dass dieser Aspekt der Erfindung dem zuzuschreiben ist,
dass die Abscheidung 22 in erster Linie durch ein Zerbrechen
entfernt wird, das durch Aufschläge
der Teilchen verursacht wird, statt durch Erosion, die durch einen
Wasserstrahl bei sehr hohen Drücken
verursacht wird, oder durch Abrieb, der durch einen Schleifmittel
enthaltenden Strahl verursacht wird. Als solcher kann der bei dieser
Erfindung benutzte Strahl 34 aus der Düse 36 mit einem Druck
gespritzt werden, der ungenügend
wäre, um
wirksam im Wesentlichen die gesamte Abscheidung 22 aus
dem Kühlloch 12 zu
entfernen, wenn das teilchenförmige
Medium im Strahl 34 nicht vorhanden wäre. Wie oben angedeutet, wird
angenommen, dass solche Drucke bis zu etwa 1100 bar (etwa 16000
psi) betragen. Wie weiter unten detaillierter diskutiert werden
wird, kann das Betreiben des nicht schleifenden Strahles 24 bei
Drücken
von etwa 16000 psi und darüber
zum unerwünschten
Entfernen von Material von der Wandung 24 des Loches 12 und
des Teiles der Oberfläche 16 führen, der
das Loch 12 unmittelbar umgibt. Beim Begrenzen des Strahles 34 auf
Drucke von weniger als 16000 psi, vorzugsweise etwa 1000 bar (15000
psi) oder weniger, muss der Strahl 34 nicht unterbrochen
werden, wenn er von einem Kühlloch 12 zum
anderen wandert. Eine geeignete Querungsrate für den Strahl 34 beträgt etwa
50 bis etwa 1200 cm/min (etwa 20 bis etwa 480 Zoll/min), wobei eine
Rate von etwa 625 cm/min (etwa 250 Zoll/min) ausgezeichnete Resultate
erzeugt. Obwohl die Bewegung des Strahles 34 relativ zur
Auskleidung 10 vorzugsweise kontinuierlich ist, ist es
vorhersehbar, dass man dem Strahl 34 erlauben könnte zu
verweilen, wenn er mit jedem Kühlloch 12 ausgerichtet
ist.
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Zusätzlich zum
Entfernen der Abscheidung 22 ohne Beschädigen der Wandung 24,
des Kühlloches 12 oder
Abspalten des Überzuges 20,
der den Ausgang des Loches 12 umgibt, erhöht das Strahlverfahren
der Erfindung überraschenderweise
den Durchfluss-Koeffizienten des Kühlloches 12, wie durch
eine Zunahme der effektiven Fläche
des Kühlloches 12 relativ
zur physikalischen Fläche
des Loches 12 gezeigt. Obwohl eine Bindung an irgendeine
spezielle Theorie nicht erwünscht
ist, scheint dieser nützliche
Effekt dem nicht schleifenden Medium zuzuschreiben zu sein, das
die Oberfläche 16 der
Auskleidung 10, die unmittelbar den Eintritt zum Loch 12 umgibt,
die Wandung 24 des Loches 12 und sogar die Wandung
des Überzuges 20,
die durch Entfernen der Abscheidung 22 gebildet wird, entgratet
und glättet.
Diese entgratende und glättende
Wirkung beeinflusst den Oberflächenzustand
und das Aussehen dieser Oberflächen,
die sich von denen unterscheiden, die erzeugt werden, wenn das Loch 12 zuerst
durch EDM oder Laserbearbeiten gebildet wird, und die sich auch von
denen unterscheiden, die produziert werden, wenn die Abscheidung 22 mit
einem Wasserstrahl allein oder der Unterstützung eines Schleifmittels
entfernt wurde. Dieser Unterschied ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt
drei Kühllöcher 44, 46, 48,
die durch die Wand 42 einer Komponente 40 gebohrt
sind, die einen keramischen WSÜ 50 auf
seiner unteren Oberfläche 52 und
eine obere Oberfläche 54 aufweist,
die frei von WSÜ ist
und von der aus die Bearbeitungsoperation ausgeführt wurde. Das Loch 44 wurde
mittels EDM gebohrt und es hat als ein Resultat eine im Wesentlichen
kontinuierliche Kreisform über
die Ausdehnung durch die Wand 42. Der Eingang zum Loch 44 an
der nicht überzogenen
Oberfläche 54 ist
jedoch irregulär
(ausgezackt) als ein Resultat der Anwesenheit von Graten usw. Das
Loch 46 ist Lasergebohrt und da durch charakterisiert, dass
der Durchmesser des Loches 46 durch die Wand 42 hindurch
zunimmt. Ähnlich
dem EDM-gebohrten Loch 44 hat das Lasergebohrte Loch 46 einen
kreisförmigen
aber irregulären
Eingang an der nicht überzogenen
Oberfläche 54 als
ein Resultat des Laserbohrens. Das Loch 48 schließlich ist
mittels Laser gebohrt und dann mit einem Wasserstrahl behandelt,
der Glasperlen gemäß dieser
Erfindung enthält.
Als solches hat das Loch 48 die gleiche konische Gestalt
wie das lasergebohrte Loch 46, doch ist der Eingang an
der nicht überzogenen
Oberfläche 54 sehr
regulär
und glatt im Aussehen als ein Resultat dessen, dass der Wasserstrahl
Grate und andere Oberflächenmerkmale
beseitigt hat, die in das Loch 48 vorstanden. EDM- und
Lasergebohrte Kühllöcher im
bearbeiteten Zustand, der in 3 gezeigt
ist, haben typische Durchfluss-Koeffizienten von etwa 0,71 bis etwa
0,73 bzw. etwa 0,87 bis etwa 0,89. Im Gegensatz dazu haben Lasergebohrte
Löcher,
die mit dem nicht schleifenden Wasserstrahl-Verfahren behandelt
wurden (wie in 3 gezeigt) signifikant höhere Durchfluss-Koeffizienten
in der Größenordnung
von etwa 0,91 bis etwa 0,93 und potenziell größer.
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In
einer Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, wurde die relative Aggressivität verschiedener Strahl-Zusammensetzungen
an einer Anzahl von Platten bewertet, die aus der Nickelbasis-Superlegierung GTD-222
gebildet waren und eine nominelle Zusammensetzung in Gew.-% von
etwa 22,5 Chrom, etwa 19,0 Cobalt, etwa 2,3 Titan, etwa 1,2 Aluminium
(etwa 3,5 Titan + Alumini-um), etwa 2,0 Wolfram, etwa 0,8 Niob und
etwa 1,0 Tantal, etwa 0,01 Zirkonium, etwa 0,01 Bor, etwa 0,1 Kohlenstoff,
Rest Nickel und übliche
Verunreinigungen aufwies. Die Platten hatten Dicken von etwa 2 mm
(0,080 Zoll) und sie waren mit einer etwa 0,50 mm (20 mil) dicken
Schicht aus Yttriumoxid-stabilisiertem
Zirkoniumdioxid (YSZ), abgeschieden durch APS, überzogen. Die YSZ-Überzüge wurden
mehreren Durchgängen
einer von vier Wasserstrahl-Behandlungen in einem Abstand von etwa
13 mm (etwa 0,5 Zoll) unterworfen. Ein erster der Strahlen enthielt
nur Wasser, ein zwei-ter Wasserstrahl enthielt etwa 20,75 Gew.-%
Kunststoffperlen mit Durchmessern von etwa 45 bis etwa 90 μm, ein dritter
Wasserstrahl enthielt etwa 20,75 Gew.-% gesinterter Soda, während ein
vierter Wasserstrahl etwa 20,75 Gew.-% von Glaskugeln mit Durchmessern
von etwa 45 bis etwa 90 μm
enthielt. Jeder der Wasserstrahlen wurde bei einem Druck von etwa
345 bar (etwa 5000 psi) mit einer Düse mit einem Durchmesser von
etwa 1,3 mm (etwa 0,050 Zoll) erzeugt. Nach jedem Behandlungszyklus,
der aus einem Satz von drei Durchgängen mit dem Wasserstrahl bei
einer Querungsrate von etwa 635 mm/min (etwa 250 Zoll/min) bestand,
wurde die Erosion der YSZ-Überzüge und der
darunter liegenden Plattenoberfläche
gemessen. Tabelle 1 fasst die Daten dieser Untersuchung zusammen,
wobei 1 mil = 25,4 μm.
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TABELLE
I #Kumulativer
Materialverlust, gemessen nach jedem Zyklus (mils)
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Die
obigen Resultate zeigen, dass bei einem relativ geringen Druck (5000
psi) ein Glasperlen enthaltender Wasserstrahl eine sofortige Wirkung
aufwies, verglichen mit einem Mediumfreien Wasserstrahl und Wasserstrahlen,
die Kunststoffperlen und gesinterte Soda enthielten. Nach einem
einzelnen Zyklus (drei Durchgänge)
wurde im Wesentlichen der gesamte 20 mil dicke WSÜ durch Wasserstrahlen
mit Glasperlen entfernt, wobei minimaler Abrieb des darunter liegenden
Substrates aufgetreten war. Im Gegensatz dazu trat der Überzugsverlust
mit den anderen drei Behandlungen graduell über fünf Zyklen (fünfzehn Durchgänge) auf. Diese
Untersuchung legt nahe, dass eine Behandlung mit einem Niederdruck-Wasserstrahl
mit Glasperlen in der Lage ist, rasch einen Keramiküberzug zu
entfernen, ohne das darunter liegende Metallsubstrat zu erodieren
oder in anderer weise zu beschädigen.
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Die
Untersuchung zeigte auch, dass ein Strahl, der im Wesentlichen aus
Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit)
besteht, relativ unwirksam bei der Entfernung von Keramikabscheidungen
aus einem Kühlloch sein
würde,
es sei denn, sehr hohe Drücke
würden
angewendet, weil Keramik innerhalb eines Kühlloches durch Kompressionsspannungen
verankert ist, die sich entwickeln, während sich die überzogene
Komponente von den hohen Temperaturen, die zum Abscheiden der Keramik
erforderlich sind, abkühlt.
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In
einer anderen Untersuchung wurde die Aggressivität von Glasperlen gegenüber einem
Metallsubstrat weiter bewertet.
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Platten, ähnlich denen
der vorherigen Untersuchung, wurden mehreren Durchgängen einer
Wasserstrahl-Behandlung unterworfen, die unter Benutzung der gleichen
Düse, des
gleichen Abstandes und der gleichen Querungsrate wie in der ersten
Untersuchung ausgeführt
wurde. Wie bei der früheren
Untersuchung enthielt der Wasserstrahl etwa 20,75 Gew.-% kugelförmiger Glasperlen
mit Durchmessern von etwa 45 bis etwa 90 μm. In dieser Untersuchung wurden
andere Platten Wasserstrahlen ausgesetzt, die bei verschiedenen
Drücken
von etwa 345 bar (etwa 5000 psi) bis etwa 2760 bar (etwa 40000 psi)
erzeugt wurden. Nach jedem Behandlungszyklus, der aus einem Satz
von drei Durchgängen
mit dem Wasserstrahl bestand, wurde die Erosion der Plattenoberfläche gemessen.
Tabelle II fasst die Daten dieser Untersuchung zusammen, wobei 1
psi = 6,894 kPa und 1 mil = 25,4 μm.
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Aus
diesen Resultaten wurde geschlossen, dass ein Glasperlen enthaltender
Wasserstrahl ein messbares Niveau der Erosion bei Drücken von
etwa 1110 bar (etwa 16000 psi) verursachen kann und gleichermaßen ein
Metallsubstrat bei Drücken
oberhalb etwa 1110 bar (etwa 16000 psi) erodieren kann, während der Wasserstrahl
zwischen Kühllöchern hin
und her geführt
wird. Mehrere Wasserstrahl-Behandlungen mit Glasperlen während der
Lebenszeit einer Komponente könnten
möglicherweise
eine unakzeptable Metallmenge von einer Komponentenoberfläche zwischen
Kühllöchern erodieren.
Druckniveaus bis zu etwa 970 bar (etwa 14000 psi) sind angenommenermaßen besonders
geeignet, wobei ein Maximaldruck nicht höher als etwa 1100 bar (16000
psi), wie bis zu etwa 1000 bar (etwa 15000 psi), zu sein scheint.
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In
einer dritten Untersuchung wurde die Aggressivität eines nicht schleifenden
Wasserstrahles gegenüber
einer Metalloberfläche
unter Benutzung eines Verfahrens bewertet, bei dem der Wasserstrahl
nach jedem Durchgang mit dem Wasserstrahl für insgesamt fünfzehn Durchgänge seitlich über einen
Abstand von etwa 0,25 mm (etwa 0,010 Zoll) geführt wurde, sodass der Wasserstrahl
die im vorhergehenden Zyklus behandelte Oberfläche überlappte. Platten ähnlich solchen
der vorherigen Untersuchungen wurden drei Sätzen (insgesamt fünfundvierzig
Durchgängen)
von Wasserstrahl-Behandlungen in der obigen Weise unterworfen. Die Wasserstrahl-Behandlungen
wurden auf den Platten bei verschiedenen Drücken von etwa 700 bar (etwa 10000
psi) bis etwa 1000 bar (etwa 15000 psi) ausgeführt. Die Wasserstrahl-Behandlungen dieser
Untersuchung wurden mit der gleichen Düse, dem gleichen Abstand, der
gleichen Querungsrate und dem gleichen nicht schleifenden Medium
und der gleichen Medienkonzentration wie in den vorherigen Untersuchungen
ausgeführt.
Bei Abschluss der Behandlungen wurde die Erosion der Plattenoberflächen gemessen.
Tabelle III fasst die Daten dieser Untersuchung zusammen, wobei
1 psi = 6,894 kPa und 1 mil = 25,4 μm.
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Diese
Resultate zeigen, dass eine Superlegierungs-Brennerauskleidung, ausgerüstet mit
Kühllöchern im
Abstand von etwa 0,010 Zoll, bei Behandlung mit einem Wasserstrahl,
der ein nicht schleifendes Medium enthält, ein akzeptables Ausmaß der Metallerosion
bei Behandlungsdrücken
von etwa 760 bar (etwa 11000 psi) bis zu etwa 1000 bar (etwa 15000
psi) aushalten würde
und die Erosion im Wesentlichen vermieden werden könnte, wenn
Drucke von etwa 700 bar (etwa 10000 psi) oder weniger benutzt werden
würden.
Als solche könnten
Drucke bis zu etwa 700 bar (etwa 10000 psi) bevorzugt sein, wenn
die Komponente zahlreiche Behandlungen überleben müsste. Es wurde der Schluss
gezogen, dass ein maximal akzeptables Druckniveau etwa 700 bar (etwa
15000 psi) für
Komponenten sein könnte,
die eine beschränkte
Anzahl von Behandlungen überleben
sollten, wie dies typischerweise der Fall bei Brennerauskleidungen
ist. Es wird jedoch angenommen, dass die Metallerosion durch Anwenden
höherer
Querungsraten, d.h., mehr als die etwa 635 mm/min (250 Zoll/min),
die bei dieser Untersuchung benutzt wurden, verringert werden könnte.
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In
einer vierten Untersuchung wurden in jeder von acht Platten, die ähnlich denen
der vorherigen Untersuchungen waren, fünfundneunzig Durchgangslöcher Lasergebohrt.
Die Löcher
hatten Durchmesser von etwa 0,38 bis etwa 0,58 mm (etwa 0,015 bis
etwa 0,023 Zoll) und sie waren in einem Winkel von etwa 20° zur Oberfläche der
Platten orientiert. Der Durchmesser durch jedes Loch wurde mit Messstiften
gemessen und dann wurde die gesamte effektive Fläche der Löcher auf jeder Platte unter
Benutzung von Wasser bei einem Druckabfall von etwa 50 mbar (etwa
20 Zoll) Wasser bestimmt. Die Platten wurden dann durch Plasmaspritzen mit
einem MCrAlY-Bindeüberzug
mit einer Dicke von etwa 0,15 mm (etwa 0,006 Zoll) oder etwa 0,20
mm (etwa 0,008 Zoll) überzogen,
mit dem Resultat, dass etwas des Bindeüberzugs-Materials innerhalb
jedes Loches abgeschieden wurde, obwohl ein Bezugsloch verblieb.
Die metallischen Abscheidungen innerhalb dieser Löcher wurden
dann mit einem Wasserstrahl entfernt, der das nicht schleifende
Medium und eine Medienkonzentration wie in den vorigen Untersuchungen
aufwies, und wobei die gleiche Düse,
der gleiche Abstand und die gleiche Querungsrate benutzt wurden.
Der Wasserstrahl wurde mit einem Druck von etwa 700 bar (etwa 10000 psi)
erzeugt. Nach dem Wasserstrahlen wurde ein Keramiküberzug aus
YSZ bis zu einer Dicke von etwa 0,50 mm (etwa 0,020 Zoll) in zwei
separaten Abscheidungsstufen abgeschieden, die jeweils in der Abscheidung
von etwa 0,25 mm (etwa 0,010 Zoll) Keramik resultierten, sodass
die Löcher
teilweise blockiert waren, jedoch Bezugslöcher noch vorhanden waren.
Nach jeder Abscheidungsstufe wurden die Durchmesser der Löcher mit Messstiften überprüft, die
Keramikabscheidungen wurden unter Benutzung eines Wasserstrahles
unter den gleichen Bedingungen entfernt, die zum Entfernen des Bindeüberzugs-Materials aus den
Löchern
benutzt wurden, und die Durchmesser der Löcher wurden wieder überprüft. Nach
Abschluss aller Stufen wurden die Platten wieder mit einem Druckabfall
von etwa 50 ten wieder mit einem Druckabfall von etwa 50 mbar (etwa
20 Zoll) Wasser getestet, um die gesamte effektive Fläche ihrer
Löcher
zu bestimmen.
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Tabelle
IV fasst die Daten zusammen, die während dieser Untersuchung gesammelt
wurden, wobei 1 in2 = 6,4516 cm2 und
1 mil = 25,4 μm.
Die Spalte unter "Anfängliche
Strömungs-Überprüfung" ist die effektive Fläche, die
für die
gesamte Platte (alle Löcher)
unmittelbar nach der Herstellung der Löcher gemessen wurde. Die erste
Spalte mit der Überschrift "Loch-Durchmesser" gibt die Durchmesser
von zwei Löchern
auf jeder Platte, gemessen mit Messstiften vor ("V")
und nach ("N") dem Wasserstrahlen
nach dem Aufbringen der Bindeüberzüge an. Die
zweite und dritte Spalte unter "Loch-Durchmesser" gibt die Durchmesser
der gleichen Löcher
an, wenn sie mit Messstiften vor ("V")
und nach ("N") dem Wasserstrahlen
nach dem Aufbringen der ersten bzw. zweiten Schicht aus Keramik
gemessen wurden. Die letzte Spalte unter "Abschließende Strömungs-Überprüfung" ist die effektive Fläche, gemessen
für die
gesamte Platte (alle Löcher)
nach dem letzten Wasserstrahlen, das ausgeführt wurde, nachdem die zweite
Keramikschicht abgeschieden wurde.
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Aus
Tabelle IV ist ersichtlich, dass die Durchmesser der Löcher, wie
mit den Messstiften bestimmt, mit jeder Verfahrensstufe im Allgemeinen
abnahmen. Dieser Trend war das Resultat der Benutzung von Messstiften
zum Überprüfen der
Durchmesser der Löcher,
die, als ein Resultat des Überzugsaufbaus,
nicht länger über die
volle Dicke der Platten gerade waren. Trotzdem hatten die effektiven
Strömungsflächen der
Löcher
im Mittel um etwa 9,3% bei Abschluss der Abscheidungs- und Wasserstrahl-Prozesse zugenommen,
gezeigt dadurch, dass ihre Durchfluss-Koeffizienten auch signifikant zugenommen
hatten (auf der Grundlage der Definition des Durchfluss-Koeffizienten
als dem Verhältnis
der effektiven Fläche
zur physikalischen Fläche
des Loches). Diese Resultate zeigten, dass der nicht schleifende
Wasserstrahl zusätzlich
zur Beseitigung von Abscheidungen die Oberflächen-Bedingungen bei den Eingängen zu
den Löchern
und innerhalb der Löcher
signifikant verbessert hatte, obwohl die Löcher selbst über ihre
gesamten Längen
nicht mehr gleichmäßig gerade waren.
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Um
zu bewerten, ob die Zunahme des Durchfluss-Koeffizienten unter Benutzung
eines medienfreien Wasserstrahles erzielt werden könnte, wurde
eine fünfte
Untersuchung mit elf Platten unternommen, die im Wesentlichen identisch
denen der vierten Untersuchung waren. Nach dem Laserbohren der Durchgangslöcher wurde
die gesamte effektive Fläche
der Löcher
auf jeder Platte unter Benutzung von Wasser bei einem Druckabfall
von etwa 50 mbar (etwa 20 Zoll) Wasser bestimmt. Die Platten wurden
dann durch mit Luft und Wasser unterstütztes Sandstrahlen gereinigt,
auf gesamte effektive Fläche
der Löcher
untersucht und mit einem MCrAlY-Bindeüberzug und einem YSZ-WSÜ in der
gleichen Weise überzogen,
wie für
die vierte Untersuchung beschrieben, ausgenommen, dass alle Bindeüberzüge bis zu
Dicken von etwa 0,15 mm (etwa 0,006 Zoll) abgeschieden wurden. Nach
jedem Überzugs-Zyklus wurden zehn
der Platten (Platten 300–309) mit einem medienfreien
Wasserstrahl bei Drücken
im Bereich von etwa 760 bis etwa 2760 bar (etwa 11000 bis 40000
psi) in einem Versuch behandelt, Abscheidungen aus ihren Löchern zu
entfernen, während
die elfte Platte (Platte 316) mit einem Wasserstrahl bei
einem Druck von etwa 700 bar (etwa 10000 psi), enthaltend das gleiche
nicht schleifende Medium und die Medienkonzentration wie bei den
vorherigen Untersuchungen, behandelt wurde. Es wurde die gleiche
Düse und
die gleiche Querungsrate wie bei den vorigen Untersuchungen auch
hier benutzt, während
der Abstand etwa 5 mm (etwa 2 Zoll) betrug. Alle drei Abscheidungs-
und Wasserstrahlungs-Zyklen wurden abgeschlossen, die Platten nochmals
getestet, um die gesamte effektive Fläche ihrer Löcher zu bestimmen.
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Die
Resultate dieser Untersuchung sind in der folgenden Tabelle V zusammengefasst,
worin 1 in2 = 6,4516 cm2 und
1 psi = 6,894 kPa. Die Spalte unter "Anfängliche
Strömungs-Überprüfung" ist die gesamte
effektive Fläche,
die unmittelbar nach dem Laserbohren der Löcher gemessen wurde, und "Vorüberzugs-Strömungsüberprüfung" ist die gesamte
effektive Fläche,
die nach dem Sand-strahlen der Platten gemessen wurde. Die Spalte
unter "Letzte Strömungs-Überprüfung" ist die gesamte
effektive Fläche,
die nach dem letzten Wasserstrahlen gemessen wurde. Die Spalte "Änderung" zeigt die Änderung der gesamten effektiven
Strömungsfläche zwischen
der "Vorüberzugs"- und der "Letzten" Strömungsüberprüfung.
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Die
obigen Daten zeigen, dass die effektiven Strömungsflächen der Löcher in der Platte, die dem
nicht schleifenden Wasserstrahl dieser Erfindung ausgesetzt worden
waren, um etwa 8% zunahmen, obwohl der benutzte Druck nur etwa 700
bar (10000 psi) betrug. Dieses Resultat der Untersuchung stand in Übereinstimmung
mit den Resultaten der vierten Untersuchung. Im Gegensatz dazu verbesserten
die medienfreien Wasserstrahlen die effektive Fläche und daher den Durchfluss-Koeffizienten
der ursprünglich
Lasergebohrten Löcher
bei Drücken
bis zu etwa 2760 bar (40000 psi) nicht. Es wurde demgemäß der Schluss
gezogen, dass ein medienfreier Strahl die Oberfläche des Eingangs und innerhalb
eines Kühlloches
nicht merklich modifiziert, so dass Kühllöcher, die mit einem im Wesentlichen
aus Flüssigkeit
be stehenden Strahl bearbeitet wurden, angenommenermaßen im Wesentlichen
die gleichen Durchfluss-Koeffizienten haben wie ein EDM- und Lasergebohrtes
Loch. Diese Untersuchung schien auch die Schlussfolgerung der ersten
Untersuchung zu bestätigen, dass
ein im Wesentlichen aus Wasser (oder anderer Flüssigkeit) bestehender Strahl
relativ unwirksam bei der Entfernung von Keramikabscheidungen innerhalb
eines Kühlloches
sein würde,
wenn nicht sehr hohe Drucke benutzt werden. Bei solchen Drücken neigt
jedoch der die Löcher
umgebende Überzug
zum Abspalten, sodass die Ausgänge
zu den Löchern
nicht glatt waren.
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Die 4, 5, 6 und 7 sind
gescannte Bilder von vier Platten, in denen Durchgangslöcher in
einem Winkel von etwa 20° zur
Oberfläche
der Platten Lasergebohrt worden waren. 4 zeigt
das Aussehen eines Loches im hergestellten Zustand, während 5 das
Aussehen eines Loches nach einem Luft-Wasserunterstützten Sandstrahlen
zeigt. 6 zeigt Platte 309 aus der obigen fünften Untersuchung,
die mit einem medienfreien Wasserstrahl bei einem Druck von etwa
2760 bar (40000 psi) nach jedem Bindeüberzugs- und WSÜ-Abscheidungszyklus
behandelt worden war. Schließlich
zeigt 7 Platte 316 der fünften Untersuchung, die mit
dem nicht schleifenden Wasserstrahl dieser Erfindung nach jedem
Bindeüberzugs-
und WSÜ-Abscheidungszyklus
behandelt worden war. Jede der 4–7 zeigt
drei Sätze
von zwei Bildern, wobei jeder Satz in einer Vergrößerung von
50×, 100× oder 200×, wie angegeben,
gezeigt ist. Die beiden Bilder jedes Satzes sind entweder als "oben" und "unten" bezeichnet, was
bedeutet, dass die Fotografien von der oberen linken bzw. der unteren
rechten Ecke der Locheingänge
(die auf den nicht überzogenen
Oberflächen der
Proben in den 6 und 7 lokalisiert
sind) gemacht waren.
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In 4 sind
Umguss- und andere Trümmer
des Laserbohrens entlang der Kante sichtbar, die durch den Eingang
des Loches im hergestellten Zustand definiert ist. Alle Proben zeigten ähnlichen
Umguss und Trümmer
unmittelbar nach dem Laserbohren. 5 zeigt,
dass das Luft- und Wasserunterstützte
Sandstrahlen bei Drücken
von etwa 4 bis etwa 5,5 bar (etwa 60–80 psi) in der Lage war, etwas
des Umgusses und der Trümmer
zu entfernen, doch ist die irreguläre Oberfläche des Loches noch deutlich.
Wie aus 6 ersichtlich, war die medienfreie
Wasserstrahl-Behandlung an Platte 309 (Wasserdruck etwa
2760 bar (etwa 40000 psi)) erfolgreich beim Wiederöffnen des
Loches nach der Abscheidung des Bindeüberzuges und des WSÜ, obwohl der
den Ausgang des Loches umgebende WSÜ-Überzug merklich abgespalten
war. Trümmer
vom Bindeüberzug
können
deutlich auf den Wandungen des Loches gesehen werden, was zeigt,
dass die Wasserstrahl-Behandlung
bei der Wiederherstellung der ursprünglichen Größe des Loches unwirksam war.
Weiter hat sich das Aussehen der Oberfläche um das Loch herum und innerhalb
des Loches nicht geändert,
was zeigt, dass der Wasserstrahl die Oberfläche des Loches nach dem Herstellen
nicht geändert
hat. Diese Beobachtungen stimmen mit den Daten in Tabelle V überein,
die zeigen, dass die medienfreie Wasserstrahl-Behandlung die effektive
Fläche
(und damit die Durchlass-Koeffizienten) der Löcher in Platte 309 nicht
vergrößerte, vielmehr
wurde die effektive Fläche
als ein Resultat der Anwesenheit von Bindeüberzugs-Trümmern von der des ursprünglichen
Lasergebohrten Loches verringert.
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7 schließlich zeigt
die drastische Wirkung, die die Behandlung dieser Erfindung mit
dem nicht schleifenden Wasserstrahl auf das Aussehen und die Oberflächentextur
eines der Durchgangslöcher
in Platte 316 hat. Der nicht schleifende Wasserstrahl hat
nicht nur erfolgreich die Trümmer
der Bindeüber zugs-
und WSÜ-Abscheidungszyklen
entfernt, sondern der Eingang und die inneren Oberflächen des
Loches haben ein glänzendes
Aussehen, was zeigt, dass die Oberfläche des Loches und des Locheinganges
gegenüber
der des Lasergebohrten Loches verbessert wurden. Das Aussehen der
Eingangs- und inneren Oberflächen
des Loches ist charakterisiert durch Oberflächen-Mikromerkmale, die durch
Schlagbrechen entfernt oder in anderer Weise durch Schläge mit dem
nicht schleifenden Medium abgeflacht wurden. Zusätzlich zur Verbesserung der effektiven
Fläche
(Erhöhung
des Durchfluss-Koeffizienten) eines Kühlloches ändert die nicht schleifende
Wasserstrahl-Behandlung dieser Erfindung visuell das Aussehen und
physikalisch die Oberfläche
eines Kühlloches,
verglichen mit einem identischen Kühlloch, das mit einem medienfreien
Wasserstrahl behandelt wurde. Diese nützliche Wirkung wird weiter
in 8 gezeigt, die einen Längsschnitt eines Durchgangsloches
zeigt, das in der identischen Weise wie das in 7 gezeigte
Loch behandelt worden ist. Das Abrunden des Locheinganges, das die
Wirkung der Erhöhung
des Durchfluss-Koeffizienten
des Loches hat, zeigt sich in dem Bild mit 25-facher Vergrößerung.
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Eine
während
der obigen Untersuchungen gemachte Beobachtung war, dass das kugelförmige Teilchenmedium
während
der Wasserstrahl-Operationen nicht zu irgendeinem signifikanten
Grade brach, was zeigt, dass die behandelten Löcher nicht Schleifteilchen
zu irgendeinem signifikanten Grade ausgesetzt waren. Ein weiterer
Nutzen dieser Beobachtung ist, dass im Gegensatz zu Schleifmedien,
das Teilchenmedium dieser Erfindung durch Gewinnen der Flüssigkeit
(Wasser), Abtrennen des Teilchenmediums von der Flüssigkeit
und dann Trocknen des Teilchenmediums, sodass es später in einer
anderen Wasserstrahl-Operation eingesetzt werden kann, wieder benutzt
werden kann. Es wird angenom men, dass der nicht schleifende Wasserstrahlprozess
durch die Wiederverwendung des Teilchenmediums nicht beeinträchtigt wer
den würde,
da das benutzte Medium im Wesentlichen frei von gebrochenen Teilchen
ist und daher im Wesentlichen frei von unerwünschten Teilchen mit scharfen
Ecken und Kanten bleibt, die ein Schneiden und Abschleifen der Kühlloch-Wandungen
verursachen würden.
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Nach
den obigen experimentellen Untersuchungen wurde die Wirksamkeit
eines nicht schleifenden Wasserstrahls mit einer Brennerauskleidung
bewertet, die Lasergebohrte Kühllöcher mit
Durchmessern von etwa 0,38 bis etwa 0,54 mm (etwa 0,015 bis etwa
0,023 Zoll) aufwies. Die Auskleidung wurde durch Abscheiden eines
MCrAlY-Bindeüberzuges
mit einer Dicke von etwa 0,2 mm (etwa 0,008 Zoll), gefolgt von einem YSZ-WSÜ, der in
zwei Stufen durch APS zu einer Enddicke von etwa 0,50 mm (0,020
Zoll) abgeschieden war, behandelt. Abscheidungen jeder Überzugsoperation
wurden mit einem Wasserstrahl, der etwa 20,8 Gew.-% kugelförmige Glasperlen
mit Durchmessern von etwa 45 bis etwa 90 μm enthielt, aus den Kühllöchern entfernt. Der
Wasserstrahl wurde bei einem Druck von etwa 700 bar (etwa 10000
psi) mit einer Düse
mit einem Durchmesser von etwa 1,3 mm (etwa 0,050 Zoll) erzeugt.
Vor dem Abscheiden des WSÜ ("Vor-WSÜ") und nach dem Entfernen
der WSÜ-Abscheidungen
mit einem letzten Wasserstrahlen ("Nach-WS") wurde die Auskleidung fixiert, sodass
fünf verschiedene
Sätze von
Kühllöchern individuell
auf wirksame Fläche
bei einem Druckabfall von 50 mbar (etwa 20 Zoll) Wasser bewertet
werden konnten. Die gemessenen wirksamen Flächen sind in der folgenden
Tabelle VI zusammengefasst, worin 1 in2 =
6,4516 cm2.
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Die
obigen Resultate zeigten deutlich, dass eine signifikante Zunahme
der effektiven Fläche
und daher des Durchfluss-Koeffizienten
als ein Resultat des Wasserstrahlens der Auskleidungs-Kühllöcher mit
dem nicht schleifenden Teilchenmedium dieser Erfindung auftrat.
Es wird geschätzt,
dass der Durchfluss-Koeffizient
von einem Durchschnitt von etwa 0,88 (Vor-WSÜ) zu einem Durchschnitt von
etwa 0,91 (Nach-WS) zunahm, was der 3,7%-igen Zunahme der effektiven
Fläche
entsprach. In Anbetracht der 9,3% und 8% Zunahme, die für Durchgangslöcher beobachtet
wurden, die mit nicht schleifenden Wasserstrahlen in früheren Untersuchungen beobachtet
wurden, wird angenommen, dass mit dieser Erfindung Durchfluss-Koeffizienten
von mehr als 0,91 möglich
sind.