DE60301074T2

DE60301074T2 - Verfahren zur Entfernung der Beschichtung eines Durchganglochs in einem Bauteil und auf diese Weise bearbeitetes Bauteil

Info

Publication number: DE60301074T2
Application number: DE2003601074
Authority: DE
Inventors: Gilbert Cincinnati Farmer; Jeffrey Arnold Cincinnati Fehrenbach
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: EP1340587B1; EP1340587A2; EP1340587A3; US6663919B2; SG106131A1; CA2419361A1; US20040115447A1; BR0300479A; JP2003285269A; US20030165621A1; US6908657B2; DE60301074D1

Description

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.
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.
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, C_d, 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.
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.
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.
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.
Diese Probleme werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 der vorliegenden Anmeldung gelöst.
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.
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.
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.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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,
2 eine Querschnittsansicht des Kühlloches nach der Entfernung der Abscheidung aus dem Kühlloch gemäß dieser Erfindung,
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,
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,
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
TABELLE I #Kumulativer Materialverlust, gemessen nach jedem Zyklus (mils)
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.
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.
In einer anderen Untersuchung wurde die Aggressivität von Glasperlen gegenüber einem Metallsubstrat weiter bewertet.
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.
TABELLE II
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.
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.
TABELLE III
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.
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.
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.
TABELLE IV
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.
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.
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.
TABELLE V
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.
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.
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.
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.
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.
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.
TABELLE VI
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.

Claims

Verfahren zum Entfernen einer Abscheidung (22) aus einem Durchgangsloch (12) einer Komponente (10) mit einem Überzug (20) auf einer ersten Oberfläche (14) davon, wobei die Abscheidung (22) an den Überzug (20) angrenzt und das Durchgangsloch (12) nicht vollständig verschließt, wobei das Verfahren die Stufe des Richtens eines Flüssigkeit enthaltenden Strahles (34) von einr zweiten Oberfläche (16) der Komponente (10), die der ersten Oberfläche (14) gegenüberliegt, auf das Durchgangsloch (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (34) nicht schleifendes Teilchenmedium enthält und aus einer Düse (36) bei einem ungenügenden Druck emittiert wird, um im Wesentlichen die gesamte Abscheidung (22) aus dem Durchgangsloch (12) zu entfernen, wenn das Teilchenmedium nicht im Strahl (34) vorhanden wäre, wodurch die Entfernung der Abscheidung (22) in erster Linie durch das Teilchenmedium erfolgt, das durch den Strahl (34) vorwärts getrieben wird und nicht durch die Flüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Überzug (20) eine Keramikschicht auf der ersten Oberfläche (14) der Komponente (10) und die Abscheidung (22) ein Teil der Keramikschicht ist, die sich von der ersten Oberfläche (14) der Komponente (10) in das Durchgangsloch (12) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Komponente (10) eine luftgekühlte Komponente (10) ist und das Durchgangsloch (12) ein Kühlloch (12) ist, das die erste und zweite Oberfläche (14, 16) der Komponente (10) schneidet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Druck des Strahles (34) nicht größer als 1000 Bar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Druck des Strahles (34) nicht größer als 970 Bar ist.
Komponente (10) mit einem Überzug (20) auf einer ersten Oberfläche (14) davon und mit einem Durchgangsloch (12), aus dem eine Abscheidung (22) entfernt wurde, die an den Überzug (20) angrenzte, wobei der Überzug (22) durch Richten eines Flüssigkeit enthaltenden Strahles (34) von einer zweiten Oberfläche (16) der Komponente (10), gegenüber der ersten Oberfläche (14), auf das Durchgangsloch (12) entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (34) ein nicht schleifendes Teilchenmedium enthält und aus einer Düse (36) bei einem ungenügenden Druck emittiert ist, um im Wesentlichen die gesamte Abscheidung (22) aus dem Durchgangsloch (12) zu entfernen, wenn das Teilchenmedium nicht im Strahl (34) vorhanden wäre und die Oberflächen (16, 24) der Komponente (10) und der das Durchgangsloch (12) definierende Überzug (20) entgratet und geglättet sind, um den Entladungs-Koeffizienten des Durchgangsloches (12) zu erhöhen.
Komponente (10) nach Anspruch 6, worin der Überzug (20) eine Keramikschicht (20) auf der ersten Oberfläche (14) der Komponente (10) ist.
Komponente (10) nach Anspruch 7, worin die Keramikschicht (20) eine plasmagespritzte Keramikschicht ist.
Komponente (10) nach Anspruch 8, worin die Komponente (10) eine luftgekühlte Komponente (10) und das Durchgangsloch (12) ein Kühlloch (12) ist, das die erste und zweite Oberfläche (14, 16) der Komponente (10) schneidet.
Komponente (10) nach Anspruch 6, worin die Oberflächen (16, 24) der Komponente (10) und der das Durchgangsloch (12) definierende Überzug (20) in erster Linie durch Schlagbrechen der Abscheidung (22) und Schlagabflachen der Oberflächen (16, 24) und nicht durch Erosion oder Abrieb der Abscheidung (22) entgratet und geglättet sind.