EP1481747A2 - Method for producing a heat loaded component and component - Google Patents

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EP1481747A2
EP1481747A2 EP04102328A EP04102328A EP1481747A2 EP 1481747 A2 EP1481747 A2 EP 1481747A2 EP 04102328 A EP04102328 A EP 04102328A EP 04102328 A EP04102328 A EP 04102328A EP 1481747 A2 EP1481747 A2 EP 1481747A2
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EP
European Patent Office
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metallic
component
blade
heat
mold
Prior art date
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Withdrawn
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EP04102328A
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Inventor
Reinhard Fried
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a heat-stressed component according to the preamble of the independent claim. Furthermore concerns the invention a heat-stressed component, in particular a blade of a gas turbine.
  • Cooling technology can be improved to the material temperatures when operating in keep a safe area.
  • cooling channels are used, which e.g. be fed from the compressor with cooling fluid. It tries to get one the greatest possible cooling effect with the smallest possible losses in terms of Achieve overall system performance.
  • the front edge of a gas turbine blade is particularly one exposed to high temperatures.
  • material temperatures i.e. to lower the front edge considerably to cool intensively or to isolate heat, for example by impingement cooling or film cooling and / or ceramic protective layers (thermal Barrier Coating TBC).
  • the blade of a turbomachine is known from US Pat. No. 6,183,198 consists essentially of two side walls, which on the front edge and on the trailing edge of the blade are joined together so that one is in the longitudinal direction the vane expanding cavity is formed. At the front edge The blade has film cooling holes attached to the leading edge of the Cool the shovel. However, film cooling lowers due to the high consumption in cooling air the efficiency of the process.
  • Ceramic guide vanes are known from US Pat. No. 6,200,092 B1, in which a Front edge element is connected to the rear edge area and bands.
  • the leading edge elements preferably consist of a ceramic matrix with ceramic fibers arranged therein, the trailing edge elements from a Ceramic matrix without fibers.
  • ceramic blades are very expensive in production, are problematic in handling and very fragile against tensile stress.
  • the invention has for its object the disadvantages of the prior art to overcome and a method for producing a heat-stressed component To provide, which the manufacture of a component with high thermal resistance Areas allowed at low cost and good manageability.
  • the advantages of the invention can be seen, inter alia, in that the Design of parts of the heat-stressed component with a non-metallic Body these areas very high temperatures and thus a high can be exposed to thermal stress.
  • the non-metallic body By pouring the non-metallic body in the metallic base body of the heat-loaded Component, a secure connection of the two components can be guaranteed.
  • the component can be designed so that the non-metallic component does not have to absorb tensile stress, which increases the life of the Component increased.
  • the heat-loaded component is a scoop a thermal turbo machine and the non-metallic, porous body the front edge of the blade and / or on its rear edge and / or on its Platform is arranged. This will be an inexpensive way to increase Efficiency of heat engines stated and this with a simple Manufacturing process.
  • the airfoil 1 shows an airfoil 1 of a thermal fluid machine in cross section.
  • the airfoil 1 has a leading edge region 3, a trailing edge region 4, a suction-side wall 5 and a pressure-side wall 6, the suction-side 5 and the pressure-side wall 6 being connected to one another at least in the region of the leading edge 3 and the trailing edge 4, as a result of which a cavity 2 is formed.
  • the leading edge region 3 is acted upon first by the fluids flowing around the airfoil 1 and is therefore exposed to high temperature loads.
  • the cavity 2 runs essentially in the radial direction through the airfoil 1 and serves as a cooling fluid passage for a cooling fluid 7.
  • the front edge of the blade is formed by a non-metallic, preferably ceramic, body 8, which preferably has an open porosity.
  • This ceramic body 8 is connected to the airfoil 1 via holding structures 9.
  • the ceramic body 8 can be produced, for example, by means of slip casting in order to produce an open-pore porosity in the ceramic body 8.
  • the slip casting contains a lot of water and / or binders, which gasify during sintering. This leaves open-pore cavities if sintering is not carried out tightly, ie the sintering temperature is not too high.
  • the slip casting can also be mixed with plastic balls, such as polystyrene, which burn during sintering and thus create an open-pore porosity.
  • the slip casting may also contain bound gases which lead to foaming of the slip at high temperature.
  • porous ceramics The production of porous ceramics is known and specifically adjustable parameters are pore size, pore size distribution and the proportion of open or closed porosity.
  • An yttrium-stabilized zirconium oxide is preferably used as the material for the ceramic body 8, for example with a composition of 2.5% by weight HfO 2 , 7-9% by weight Y 2 O 3 , remainder ZrO 2 and impurities.
  • Materials from the groups of perovskites, spinels, pyrochlores and simple oxides meet the basic requirements that are placed on a material that can be used as a thermal insulation layer 8. These requirements are: low thermal conductivity, high melting point, no phase change in the area of the operating temperatures and a thermal expansion coefficient adapted to the metallic base material.
  • the adjustment of the coefficient of expansion is not of the same importance as with conventional composites.
  • non-oxide ceramic materials such as Si 3 N 4 , SiC, C / C, etc. can also be used.
  • these oxidation protection layers such as mullite (3Al 2 O 3 "2SiO 2 ), yttrium silicates, zircon, etc. being applied, for example by plasma spraying.
  • Long fiber composite systems can also be used, and the matrix can be porous. Such systems can consist, for example, of a matrix of mullite and aluminum silicate fibers, the system being produced by pressureless sintering and hot pressing.
  • a PVD (Physical Vapor Deposition) process can also be used to manufacture the ceramic body, which process is usually only used for thin layers.
  • a thermal insulation layer is formed from stem-shaped ZrO 2 crystals, which are held by the macroscopic holding structures described below.
  • Such a ceramic body 8 can be arranged at all points which are exposed to high temperature loads, so also on the rear edge 4 of the airfoil 1 or not shown on the platforms of the airfoil. Cooling fluid 7 is conducted to the ceramic body 8 via openings 10 in the metallic part of the airfoil 1 via the cavity 2. This cooling fluid can now emerge from the front edge 3 via the porous ceramic body 8 and thus generates perspiration cooling at the front edge 3. The ceramic body thus relieves the front edge thermally and achieves a high thermal shock resistance. Such a blade can also be reconditioned.
  • the porous ceramic body 8 is in the manufacture of the airfoil 1, respectively the shovel, by casting using the lost wax process, inserted as a pre-produced ceramic part in the wax mold.
  • the wax form recesses arranged, in which ceramic body 8 egg n-inserted can be. Any undercuts are made with wax closed. Then the wax mold and the ceramic part become more liquid Ceramics, e.g. Ceramic slip enveloped. The dried form is heat treated and melted or burned out the wax.
  • the porous Ceramic part 8 is now held by the mold, and this mold is with poured out liquid metallic material.
  • Can as a metallic material any metallic materials of the prior art for use come that used for the production of thermally stressed components and meet the desired requirements.
  • thermally highly stable super alloys e.g. Iron-nickel superalloy IN 706 type, nickel-based superalloys, single crystal and directionally solidifiable Alloys etc. used.
  • Other such alloys are particular IN738, IN792, IN939, GTD111, MAR M247, CM247LC DS, CMSX-2 / -3 SX, MC-2, CMSX-4 / MK-4, PWA1484, etc.
  • the blade is then removed from the mold and reworked if necessary.
  • other casting methods can also be used, such as prefabricated casting molds, in which the ceramic body is then inserted.
  • the porous ceramic body 8 forms the front edge 3 of the airfoil 1.
  • the body is not straight, but with protrusions 11 as holding structures designed, which may also have undercuts. Through this interlocking will have a good mechanical connection of ceramic body with achieved the metallic part of the airfoil 1. It also makes this Area that prevents cracking and spreading.
  • cavities 12 are arranged in the areas in which the connection should take place between metallic and non-metallic body 8.
  • This Cavities preferably have a shape such that they are in the transition region to the metallic material an opening 13 with a narrower Have cross-section as the inner cavity 14 inside the ceramic Body 8.
  • metallic material flows into the Cavities 12 of the ceramic body, so that through the opening 13 with a narrower Cross-section as the inner cavity 14 creates an undercut and the ceramic body cannot be detached from the metallic part of the blade is connected.
  • the cavities 12 usually have a depth of 0.2 mm to 10mm, in particular from 0.5mm to 10mm, with natural pores usually have a size of 0.01 mm to 0.5 mm.
  • FIG. 6 and 7 is a cast airfoil 1 with a porous ceramic Body 8 shown in FIG. 5.
  • the cavities 12 are here with the metallic Material of the airfoil 1 filled, which is the mechanical Connection between the airfoil 1 and ceramic body 8 results.
  • the ceramic body 8 can also be configured with projections 11 here to improve the mechanical connection.
  • FIGS. 8 and 9 show a possibility for subsequently arranging a porous ceramic body 8 on the front edge of an airfoil or for replacing a defective ceramic body 8 according to FIGS. 1 to 7.
  • the undercuts in the previously shown cast variants can hinder the subsequent installation of a ceramic body 8, so that the airfoil 1 may have to be pre-processed. Due to the design of the body 8, however, it is also possible to insert it from the side and to achieve a certain mechanical connection with the metallic part of the airfoil 1 by means of projections 11.
  • the ceramic body 8 can additionally be connected to the metallic base body by means of soldering at soldering points 15.
  • the soldering points 15 are preferably designed such that they protrude and can be partially ground off after the soldering process in order to be able to remove the heat-affected zone of the soldering process.
  • the holding element 16 is preferably made of a metallic material and preferably of the same metallic material as the metallic blade.
  • other metallic coating materials can also be used for the holding elements 16.
  • MCrALY is preferably used, where M can be Ni and / or Co.
  • Such MCrALY alloys have, for example, a composition of (each in% by weight): SV34 with 11.8 to 12.8% Cr, 23.5 to 24.5% Co, 11.6 to 12.2% Al, 2.8 to 3% Re, 0.8 to 1.2% Si, 0.4 up to 0.6% Y, 0.4 to 0.6% Ta, balance Ni and impurities or SV20 with 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, balance Ni and impurities or Haynes 214 with 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, balance Ni and impurities, etc.
  • the holding elements 16 are e.g. welded to the metal blade material and engage and prevent recesses 17 in the porous body 8 mechanically falling out of the body 8. The projections 11 are then not needed.
  • holding elements 16 are shown in detail.
  • Such holding elements 16 are essentially known from the prior art, for example from DE 100 57 187 A1. These holding elements are applied to the surface of the metallic base body of the blade by means of welding, riveting or casting processes.
  • the material of the holding elements 16 can be chosen to be essentially identical to the metallic material of the base body of the blade. However, other metallic coating materials can also be used for the holding elements.
  • MCrALY is preferably used, where M can be Ni and / or Co.
  • Such MCrALY alloys have, for example, a composition of (each in% by weight): SV34 with 11.8 to 12.8% Cr, 23.5 to 24.5% Co, 11.6 to 12.2% Al, 2.8 to 3% Re, 0.8 to 1.2% Si, 0.4 up to 0.6% Y, 0.4 to 0.6% Ta, balance Ni and impurities or SV20 with 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, balance Ni and impurities or Haynes 214 with 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, balance Ni and impurities, etc.
  • the holding elements 16 are designed such that an undercut 18 is produced becomes. This undercut is shown in FIGS. 11 and 13 by a spherical holding element 16 or according to FIG. 12 by a mushroom-shaped holding element 16 generated. These mushroom-shaped holding elements 16 are by a Neck 21 and a head 22 are formed, the neck 21 having a smaller diameter has as the head 22. This mushroom-shaped design of the holding elements 16 can layer thicknesses 19 of the non-metallic coating body 8 of up to 10 mm can be achieved. 10 is a plan view of a possible arrangement of the holding elements 16 on the surface of the metallic Basic body shown.
  • a corresponding surface roughness is created by the holding elements 16 achieved the surface of the metallic base body, whereby with that in the liquid Condition or non-metallic applied by plasma or flame spraying Material of the coating body 8 achieved a positive connection becomes.
  • the undercuts 18 described above cling to one another the non-metallic material of the coating body with the metallic Body.
  • the method described above can also be used in the repair and Reconditioning of blades are used by holes 20 in the metallic base are first filled, then the holding elements 16 are attached and then applied the non-metallic coating 8 becomes.
  • holding elements 16 These also have a neck 21 and a head 22, which, however, is trapezoidal here is formed.
  • the neck 21 also has a smaller diameter on than the trapezoidal head 22.
  • the neck 21 cannot additionally here have only one head 22 at the end of the neck 21, but additional bulges 23, by means of which further undercuts are formed. Thereby can with long necks 21 the claw between non-metallic coating body 8 and the metallic base body can be further improved.
  • Such holding elements 16, as described in FIG. 6, can also be welded on, riveted or produced in the casting process.
  • the further bulges 23 can of course also be arranged in the neck region in the mushroom-shaped configuration of the holding elements 16 according to FIG. 12.
  • metallic or non-metallic materials can also be arranged to absorb the different expansions.
  • a ceramic tile or knitted fabric with solder can be applied as an intermediate layer. This compensates for the different expansions of the materials used for the metallic part of the blade and the non-metallic coating body.

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Abstract

Production of a heat-loaded component of a heat generating machine comprises forming a non-metallic body (8), arranging the body in a casting mold, introducing molten metallic material into the casting mold, and removing the mold. An independent claim is also included for a heat-loaded component of a heat generating machine produced by the above process.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteils nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches. Des weiteren betrifft die Erfindung ein wärmebelastetes Bauteil, insbesondere eine Schaufel einer Gasturbine.The invention relates to a method for producing a heat-stressed component according to the preamble of the independent claim. Furthermore concerns the invention a heat-stressed component, in particular a blade of a gas turbine.

Stand der TechnikState of the art

Eine Steigerung der Effizienz einer Wärmekraftmaschine, z.B. einer thermischen Turbomaschine wie einer Gasturbine, ist direkt abhängig von einer Steigerung der Verbrennungsgastemperatur in der Brennkammer und der darauffolgenden Turbine. Trotz verbesserter hochtemperaturbeständiger Werkstoffe, muss auch die Kühltechnik verbessert werden, um die Werkstofftemperaturen beim Betrieb in einem sicheren Bereich zu halten. Dazu werden Kühlkanäle verwendet, welche z.B. aus dem Verdichter mit Kühlfluid gespiesen werden. Dabei wird versucht, einen möglichst grossen Kühleffekt bei möglichst kleinen Verlusten bezüglich der Leistung des Gesamtsystems zu erzielen. An increase in the efficiency of a heat engine, e.g. a thermal Turbo machine, like a gas turbine, is directly dependent on an increase in Combustion gas temperature in the combustion chamber and the subsequent turbine. Despite the improved high temperature resistant materials, the Cooling technology can be improved to the material temperatures when operating in keep a safe area. For this, cooling channels are used, which e.g. be fed from the compressor with cooling fluid. It tries to get one the greatest possible cooling effect with the smallest possible losses in terms of Achieve overall system performance.

Die Vorderkante einer Gasturbinenschaufel ist dabei in besonderem Mass einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt. Um die Materialtemperaturen zu beherrschen, d.h. zu senken, unternimmt man erheblich Anstrengungen, die Vorderkante intensiv zu kühlen, bzw. wärmezuisolieren, beispielsweise durch Impingementkühlung oder Filmkühlung und/oder keramische Schutzschichten (Thermal Barrier Coating TBC).The front edge of a gas turbine blade is particularly one exposed to high temperatures. In order to control the material temperatures, i.e. to lower the front edge considerably to cool intensively or to isolate heat, for example by impingement cooling or film cooling and / or ceramic protective layers (thermal Barrier Coating TBC).

Aus der US 6,183,198 ist die Schaufel einer Strömungsmaschine bekannt, die im wesentlichen aus zwei Seitenwänden besteht, welche an der Vorderkante und an der Hinterkante der Schaufel miteinander verbunden sind, so dass ein in Längsrichtung der Schaufel sich ausdehnender Hohlraum gebildet wird. An der Vorderkante der Schaufel sind Filmkühlungslöcher angebracht, um die Vorderkante der Schaufel zu kühlen. Eine Filmkühlung senkt jedoch aufgrund des hohen Verbrauchs an Kühlluft die Effizienz des Prozesses.The blade of a turbomachine is known from US Pat. No. 6,183,198 consists essentially of two side walls, which on the front edge and on the trailing edge of the blade are joined together so that one is in the longitudinal direction the vane expanding cavity is formed. At the front edge The blade has film cooling holes attached to the leading edge of the Cool the shovel. However, film cooling lowers due to the high consumption in cooling air the efficiency of the process.

Aus der US 6,200,092 B1 sind keramische Leitschaufeln bekannt, bei denen ein Vorderkantenelement mit dem Hinterkantenbereich und Bändern verbunden wird. Die Vorderkantenelemente bestehen vorzugsweise aus einer keramischen Matrix mit darin angeordneten keramischen Fasern, die Hinterkantenelemente aus einer Keramikmatrix ohne Fasern. Solche keramischen Schaufeln sind jedoch sehr teuer in der Herstellung, sind problematisch in der Handhabbarkeit und sehr anfällig gegen Zugspannungen.Ceramic guide vanes are known from US Pat. No. 6,200,092 B1, in which a Front edge element is connected to the rear edge area and bands. The leading edge elements preferably consist of a ceramic matrix with ceramic fibers arranged therein, the trailing edge elements from a Ceramic matrix without fibers. However, such ceramic blades are very expensive in production, are problematic in handling and very fragile against tensile stress.

Aus der US 6,412,541 B2 ist ein Gussverfahren zur Herstellung von Schaufeln für Strömungsmaschinen bekannt. Die gewünschte Form der Schaufel wird dabei mittels eines Wachsmodells und eines polymeren Schaumes ausgeformt und diese Form mit Keramikschlicker umhüllt. Beim Giessprozess dringt die flüssige Superlegierung in die durch den polymeren Schaum gebildete offenporige Struktur ein, so dass eine integrale Kühlstruktur gebildet wird. Diese offenporige Struktur kann auch auf der Aussenseite der Schaufel angeordnet werden. In diesen Bereichen wird die Schaufel vorzugsweise mit einer keramischen Schutzschicht versehen, um die Schaufeln in höheren Temperaturbereichen verwenden zu können. Diese keramische Schutzschicht kann gemäss eines Beispieles auch porös ausgeführt werden, so dass die Kühlluft an diesen Stellen aus der Schaufel austreten kann, wodurch eine Schwitzkühlung erzielt wird.From US 6,412,541 B2 is a casting process for the manufacture of blades for Flow machines known. The desired shape of the shovel is made molded using a wax model and a polymer foam and these Mold encased in ceramic slip. The liquid superalloy penetrates the casting process into the open-pore structure formed by the polymer foam so that an integral cooling structure is formed. This open-pored structure can also be placed on the outside of the bucket. in these areas the blade is preferably provided with a ceramic protective layer, to be able to use the blades in higher temperature ranges. According to one example, this ceramic protective layer can also be made porous so that the cooling air emerges from the blade at these points can, whereby perspiration cooling is achieved.

Problematisch bei dieser Lösung ist jedoch die geringe Haftung der relativ dünnen keramischen Schutzschicht und damit verbunden die Gefahr eines Abplatzens der dünnen keramischen Schutzschicht. Zudem wird die offenporige metallische Trägerstruktur, z.B. aus einer Superlegierung, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, was die Lebensdauer der Schaufel weiter mindert.The problem with this solution, however, is the low adhesion of the relatively thin ones ceramic protective layer and the associated risk of chipping thin ceramic protective layer. In addition, the open-pore metallic support structure, e.g. made of a super alloy, a high thermal load exposed, which further reduces the lifespan of the blade.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteils bereitzustellen, welches die Herstellung eines Bauteils mit thermisch hochbelastbaren Bereichen bei geringen Kosten und guter Handhabbarkeit erlaubt.The invention has for its object the disadvantages of the prior art to overcome and a method for producing a heat-stressed component To provide, which the manufacture of a component with high thermal resistance Areas allowed at low cost and good manageability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Gegenstände geben die abhängigen Ansprüche wieder.This object is achieved according to the subject matter of the independent Claims resolved. Advantageous further developments of these objects give the dependent claims again.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die Ausgestaltung von Teilen des wärmebelasteten Bauteils mit einem nichtmetallischen Körper diese Bereiche sehr hohen Temperaturen und damit einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt werden können. Durch das Eingiessen des nichtmetallischen Körpers in den metallischen Grundkörper des wärmebelasteten Bauteils kann eine sichere Verbindung der zwei Komponenten garantiert werden. Zudem kann das Bauteil so ausgestaltet werden, dass das nichtmetallische Bauteil keine Zugspannungen aufnehmen muss, wodurch sich die Lebensdauer des Bauteils erhöht.The advantages of the invention can be seen, inter alia, in that the Design of parts of the heat-stressed component with a non-metallic Body these areas very high temperatures and thus a high can be exposed to thermal stress. By pouring the non-metallic body in the metallic base body of the heat-loaded Component, a secure connection of the two components can be guaranteed. In addition, the component can be designed so that the non-metallic component does not have to absorb tensile stress, which increases the life of the Component increased.

Durch Einsatz der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Halteelemente wird eine sichere Befestigung des porösen thermischen Schutzkörpers erzielt, was nach den herkömmlichen Lösungen nicht möglich ist. Indem dieser Körper porös ausgeführt ist, eröffnet sich die Möglichkeit einer Schwitzkühlung in diesen Bereichen. Die Haltbarkeit von solchen offenporigen porösen Schichten wurde in Versuchen für mehrere Millimeter dicke Schichten nachgewiesen. Einerseits kann durch die grosse Schichtdicke des nichtmetallischen Beschichtungskörpers und andererseits durch die auf dessen Offenporigkeit basierende Schwitzkühlung eine deutliche Reduzierung des Kühlluftverbrauchs erreicht werden.By using the holding elements proposed according to the invention, a secure attachment of the porous thermal protective body achieved what after the conventional solutions is not possible. By making this body porous is the possibility of sweat cooling in these areas. The durability of such open-pore porous layers has been tested proven for layers several millimeters thick. On the one hand can due to the large layer thickness of the non-metallic coating body and on the other hand, due to the sweat cooling based on its open porosity significant reduction in cooling air consumption can be achieved.

Es ist besonders zweckmässig, wenn das wärmebelastete Bauteil eine Schaufel einer thermischen Turbomaschine ist und der nichtmetallische, poröse Körper an der Vorderkante der Schaufel und/oder an deren Hinterkante und/oder an deren Plattform angeordnet ist. Damit wird ein kostengünstiger Weg zur Steigerung der Effizienz von Wärmekraftmaschinen angegeben und dies bei einem einfachen Herstellungsprozess.It is particularly expedient if the heat-loaded component is a scoop a thermal turbo machine and the non-metallic, porous body the front edge of the blade and / or on its rear edge and / or on its Platform is arranged. This will be an inexpensive way to increase Efficiency of heat engines stated and this with a simple Manufacturing process.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawings explained in more detail. The same elements are in the different figures provided with the same reference numerals. The direction of flow of the media is with Arrows indicated.

Es zeigen:

Fig. 1
einen Teilquerschnitt durch ein Schaufelblatt einer thermischen Strömungsmaschine;
Fig. 2
einen Teillängsschnitt durch die Vorderkante eines Schaufelblattes;
Fig. 3
einen Teilquerschnitt durch einen porösen nichtmetallischen Körper verbunden mit einem metallischen Material;
Fig. 4
einen Teilquerschnitt durch die Vorderkante des Schaufelblattes aus Fig. 2;
Fig. 5
einen Teillängsschnitt durch einen keramischen Körper mit zusätzlichen Hohlräumen;
Fig. 6
einen Teillängsschnitt durch die Vorderkante eines Schaufelblattes;
Fig. 7
einen Teilquerschnitt durch die Vorderkante des Schaufelblattes aus Fig. 6;
Fig. 8
eine Draufsicht auf ein Schaufelblatt mit gelöstem nichtmetallischem Körper;
Fig. 9
einen Teillängsschnitt durch ein Schaufelblatt mit nachträglich angeordnetem nichtmetallischen Körper.
Fig. 10
eine Draufsicht auf Haltelemente;
Fig. 11
einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen metallischem Grundkörper mit Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
Fig. 12
einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen metallischem Grundkörper mit weiteren Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
Fig. 13
einen Teilquerschnitt durch den Übergangsbereich zwischen einem reparierten metallischen Grundkörper mit Haltelementen und nichtmetallischem Beschichtungskörper;
Fig. 14
einen Teilquerschnitt durch ein Schaufelblatt einer thermischen Strömungsmaschine in einer weiteren Ausführungsform.
Show it:
Fig. 1
a partial cross section through an airfoil of a thermal fluid machine;
Fig. 2
a partial longitudinal section through the front edge of an airfoil;
Fig. 3
a partial cross section through a porous non-metallic body connected to a metallic material;
Fig. 4
a partial cross section through the front edge of the airfoil from Fig. 2;
Fig. 5
a partial longitudinal section through a ceramic body with additional cavities;
Fig. 6
a partial longitudinal section through the front edge of an airfoil;
Fig. 7
a partial cross section through the front edge of the airfoil from Fig. 6;
Fig. 8
a plan view of an airfoil with dissolved non-metallic body;
Fig. 9
a partial longitudinal section through an airfoil with a subsequently arranged non-metallic body.
Fig. 10
a plan view of holding elements;
Fig. 11
a partial cross section through the transition region between the metallic base body with holding elements and non-metallic coating body;
Fig. 12
a partial cross section through the transition region between the metallic base body with further holding elements and non-metallic coating body;
Fig. 13
a partial cross section through the transition region between a repaired metallic base body with holding elements and non-metallic coating body;
Fig. 14
a partial cross section through an airfoil of a thermal fluid machine in a further embodiment.

Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht gezeigt sind beispielsweise der Schaufelfuss und das Deckband der Schaufel.They are only the elements essential for the immediate understanding of the invention shown. For example, the blade root and the shroud are not shown the shovel.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Schaufelblatt 1 einer thermischen Strömungsmaschine dargestellt. Das Schaufelblatt 1 weist einen Vorderkantenbereich 3, einen Hinterkantenbereich 4, eine saugseitige Wand 5 und eine druckseitige Wand 6 auf, wobei die saugseitige 5 und die druckseitige Wand 6 zumindest im Bereich der Vorderkante 3 und der Hinterkante 4 miteinander verbunden sind, wodurch ein Hohlraum 2 gebildet wird. Der Vorderkantenbereich 3 wird jeweils von den das Schaufelblatt 1 umströmenden Fluiden zuerst beaufschlagt und ist somit hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Der Hohlraum 2 verläuft im wesentlichen in radialer Richtung durch das Schaufelblatt 1 und dient als Kühlfluiddurchlass für ein Kühlfluid 7.
Die Vorderkante der Schaufel wird durch einen nichtmetallischen, vorzugsweise keramischen, Körper 8 gebildet, der vorzugsweise eine offene Porosität aufweist. Dieser keramische Körper 8 ist über Haltestrukturen 9 mit dem Schaufelblatt 1 verbunden. Der keramische Körper 8 kann beispielsweise mittels Schlickerguss hergestellt werden, um eine offenporige Porosität im keramischen Körper 8 zu e r-zeugen.
Der Schlickerguss enthält viel Wasser und / oder Binder, welche beim Sintern vergasen. Dadurch verbleiben offenporige Hohlräume, wenn nicht dicht gesintert wird, d.h. die Sintertemperatur nicht zu hoch ist. Der Schlickerguss kann auch zusätzlich mit Plastikkugeln, z.B. Styropor, versetzt werden, welche beim Sintern verbrennen und so eine offenporige Porosität erzeugen. Der Schlickerguss kann zudem gebundene Gase enthalten, die bei hoher Temperatur zum Schäumen des Schlickers führen. 1 shows an airfoil 1 of a thermal fluid machine in cross section. The airfoil 1 has a leading edge region 3, a trailing edge region 4, a suction-side wall 5 and a pressure-side wall 6, the suction-side 5 and the pressure-side wall 6 being connected to one another at least in the region of the leading edge 3 and the trailing edge 4, as a result of which a cavity 2 is formed. The leading edge region 3 is acted upon first by the fluids flowing around the airfoil 1 and is therefore exposed to high temperature loads. The cavity 2 runs essentially in the radial direction through the airfoil 1 and serves as a cooling fluid passage for a cooling fluid 7.
The front edge of the blade is formed by a non-metallic, preferably ceramic, body 8, which preferably has an open porosity. This ceramic body 8 is connected to the airfoil 1 via holding structures 9. The ceramic body 8 can be produced, for example, by means of slip casting in order to produce an open-pore porosity in the ceramic body 8.
The slip casting contains a lot of water and / or binders, which gasify during sintering. This leaves open-pore cavities if sintering is not carried out tightly, ie the sintering temperature is not too high. The slip casting can also be mixed with plastic balls, such as polystyrene, which burn during sintering and thus create an open-pore porosity. The slip casting may also contain bound gases which lead to foaming of the slip at high temperature.

Die Herstellung von porösen Keramiken ist bekannt und gezielt einstellbare Parameter sind Porenweite, Porengrössenverteilung und der Anteil an offener bzw. geschlossener Porosität.
Als Material für den keramischen Körper 8 wird vorzugsweise ein Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid verwendet, z.B. mit einer Zusammensetzung von 2.5 Gew.-% HfO2, 7-9 Gew.-% Y2O3, Rest ZrO2 und Verunreinigungen.
Materialien aus den Gruppen der Perowskite, Spinelle, Pyrochlore und einfache Oxide erfüllen die Basisanforderungen, die an einen als Wärmedämmschicht 8 einsetzbaren Werkstoff gestellt werden. Diese Anforderungen sind: niedrige Wärmeleitfähigkeit, hoher Schmelzpunkt, keine Phasenumwandlung im Bereich der Einsatztemperaturen und einen an den metallischen Grundstoff angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten ist auf Grund der makroskopischen Haltestrukturen jedoch nicht von der gleichen Wichtigkeit wie bei herkömmlichen Verbunden.The production of porous ceramics is known and specifically adjustable parameters are pore size, pore size distribution and the proportion of open or closed porosity.
An yttrium-stabilized zirconium oxide is preferably used as the material for the ceramic body 8, for example with a composition of 2.5% by weight HfO 2 , 7-9% by weight Y 2 O 3 , remainder ZrO 2 and impurities.
Materials from the groups of perovskites, spinels, pyrochlores and simple oxides meet the basic requirements that are placed on a material that can be used as a thermal insulation layer 8. These requirements are: low thermal conductivity, high melting point, no phase change in the area of the operating temperatures and a thermal expansion coefficient adapted to the metallic base material. However, due to the macroscopic holding structures, the adjustment of the coefficient of expansion is not of the same importance as with conventional composites.

Es können jedoch auch nichtoxidische Keramikwerkstoffe wie z.B. Si3N4, SiC, C/C, usw., verwendet werden. Für Hochtemperatur-Applikationen müssen sie jedoch gegen Oxidation geschützt werden, wobei diese Oxidationsschutzschichten wie z.B. Mullit (3Al2O3"2SiO2), Yttriumsilikate, Zirkon, usw., beispielsweise durch Plasmaspritzen aufgetragen werden.
Es können auch Langfaserverbundsysteme verwendet werden, wobei die Matrix porös sein kann. Solche Systeme können beispielsweise aus einer Matrix aus Mullit und aluminiumsilikatischen Fasern bestehen, wobei das System durch druckloses Sintern und Heisspressen hergestellt wird.However, non-oxide ceramic materials such as Si 3 N 4 , SiC, C / C, etc. can also be used. For high-temperature applications, however, they must be protected against oxidation, these oxidation protection layers such as mullite (3Al 2 O 3 "2SiO 2 ), yttrium silicates, zircon, etc. being applied, for example by plasma spraying.
Long fiber composite systems can also be used, and the matrix can be porous. Such systems can consist, for example, of a matrix of mullite and aluminum silicate fibers, the system being produced by pressureless sintering and hot pressing.

Zum Herstellen des keramischen Körpers kann auch ein PVD (Physical Vapor Deposition) Prozess verwendet werden, welcher üblicherweise nur für dünne Schichten verwendet wird. So bildet sich z.B. bei der Verwendung von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid durch das PVD Verfahren eine Wärmedämmschicht aus stengelförmige ZrO2 Kristalle aus, welche durch die weiter unten beschriebenen makroskopischen Haltestrukturen gehalten werden. A PVD (Physical Vapor Deposition) process can also be used to manufacture the ceramic body, which process is usually only used for thin layers. For example, when using yttrium-stabilized zirconium oxide through the PVD process, a thermal insulation layer is formed from stem-shaped ZrO 2 crystals, which are held by the macroscopic holding structures described below.

Ein solcher keramischer Körper 8 kann an allen Stellen, welche einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind, angeordnet werden, so auch an der Hinterkante 4 des Schaufelblattes 1 oder nicht gezeigt an den Plattformen der Schaufel.
Über Öffnungen 10 im metallischen Teil des Schaufelblatts 1 wird über den Hohlraum 2 Kühlfluid 7 zum keramischen Körper 8 geleitet. Dieses Kühlfluid kann nun über den porösen keramischen Körper 8 aus der Vorderkante 3 austreten und erzeugt so eine Schwitzkühlung an der Vorderkante 3. Durch den keramischen Körper wird so die Vorderkante thermisch entlastet und eine hohe Thermoschockbeständigkeit erreicht. Weiter ist eine solche Schaufel rekonditionierbar.Such a ceramic body 8 can be arranged at all points which are exposed to high temperature loads, so also on the rear edge 4 of the airfoil 1 or not shown on the platforms of the airfoil.
Cooling fluid 7 is conducted to the ceramic body 8 via openings 10 in the metallic part of the airfoil 1 via the cavity 2. This cooling fluid can now emerge from the front edge 3 via the porous ceramic body 8 and thus generates perspiration cooling at the front edge 3. The ceramic body thus relieves the front edge thermally and achieves a high thermal shock resistance. Such a blade can also be reconditioned.

Der poröse keramische Körper 8 wird bei der Herstellung des Schaufelblattes 1, respektive der Schaufel, durch Giessen nach dem Wachsausschmelzverfahren, als vorproduziertes Keramikteil in die Wachsform eingebracht. Dazu werden in der Wachsform Aussparungen angeordnet, in welche keramische Körper 8 ei n-gefügt werden können. Etwaige Hinterschneidungen werden jeweils mit Wachs geschlossen. Danach werden die Wachsform und das Keramikteil mit flüssiger Keramik, z.B. Keramikschlicker umhüllt. Die getrocknete Form wird wärmebehandelt und dabei das Wachs ausgeschmolzen oder ausgebrannt. Das poröse Keramikteil 8 wird nun von der Gussform gehalten, und diese Gussform wird mit flüssigem metallischem Werkstoff ausgegossen. Als metallischer Werkstoff können beliebige metallische Werkstoffe des Standes der Technik zur Anwendung kommen, die für die Herstellung von thermisch belasteten Bauteilen verwendet werden und die gewünschten Anforderungen erfüllen. Besonders bevorzugt werden thermisch hoch stabile Superlegierungen, z.B. Eisen-Nickel-Superlegierung vom Typ IN 706, Nickel-Basis-Superlegierungen, Einkristall- und gerichtet erstarrbare Legierungen usw. eingesetzt. Weitere solche Legierungen sind insbesondere IN738, IN792, IN939, GTD111, MAR M247, CM247LC DS, CMSX-2/-3 SX, MC-2, CMSX-4/MK-4, PWA1484, usw. The porous ceramic body 8 is in the manufacture of the airfoil 1, respectively the shovel, by casting using the lost wax process, inserted as a pre-produced ceramic part in the wax mold. For this purpose, in the wax form recesses arranged, in which ceramic body 8 egg n-inserted can be. Any undercuts are made with wax closed. Then the wax mold and the ceramic part become more liquid Ceramics, e.g. Ceramic slip enveloped. The dried form is heat treated and melted or burned out the wax. The porous Ceramic part 8 is now held by the mold, and this mold is with poured out liquid metallic material. Can as a metallic material any metallic materials of the prior art for use come that used for the production of thermally stressed components and meet the desired requirements. Be particularly preferred thermally highly stable super alloys, e.g. Iron-nickel superalloy IN 706 type, nickel-based superalloys, single crystal and directionally solidifiable Alloys etc. used. Other such alloys are particular IN738, IN792, IN939, GTD111, MAR M247, CM247LC DS, CMSX-2 / -3 SX, MC-2, CMSX-4 / MK-4, PWA1484, etc.

Danach wird die Schaufel entformt und gegebenenfalls nachbearbeitet.
Natürlich können auch andere Gussverfahren angewendet werden, wie z.B. vorgefertigte Gussformen, in die dann der keramische Körper eingelegt wird.The blade is then removed from the mold and reworked if necessary.
Of course, other casting methods can also be used, such as prefabricated casting molds, in which the ceramic body is then inserted.

In Fig. 2, 3 und 4 ist die Vorderkante 3 des Schaufelblattes 1 im Detail dargestellt. Der poröse keramische Körper 8 bildet die Vorderkante 3 des Schaufelblattes 1. In der Übergangszone von saugseitiger / druckseitiger Wand zum keramischen Körper ist diese nicht gerade, sondern mit Vorsprüngen 11 als Haltestrukturen ausgestaltet, die auch Hinterschneidungen aufweisen können. Durch diese Verzahnung wird ein gute mechanische Verbindung von keramischem Körper mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes 1 erzielt. Zudem wird dadurch in diesem Bereich die Rissbildung und -ausbreitung verhindert.2, 3 and 4, the front edge 3 of the airfoil 1 is shown in detail. The porous ceramic body 8 forms the front edge 3 of the airfoil 1. In the transition zone from the suction-side / pressure-side wall to the ceramic The body is not straight, but with protrusions 11 as holding structures designed, which may also have undercuts. Through this interlocking will have a good mechanical connection of ceramic body with achieved the metallic part of the airfoil 1. It also makes this Area that prevents cracking and spreading.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform für die mechanischen Verbindung zwischen keramischem Körper mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes mittels Haltestrukturen dargestellt. Bei der Herstellung des porösen keramischen Körpers 8 werden dazu Hohlräume 12 in den Bereichen angeordnet, in denen die Verbi n-dung zwischen metallischem und nichtmetallischem Körper 8 erfolgen soll. Diese Hohlräume weisen dabei vorzugsweise eine solche Form auf, dass sie im Übergangsbereich zum metallischen Werkstoff eine Oeffnung 13 mit einem engeren Querschnitt aufweisen als der innere Hohlraum 14 im Inneren des keramischen Körpers 8. Beim Giessen der Schaufel fliesst so metallischer Werkstoff in die Hohlräume 12 des keramischen Körpers, so dass durch die Oeffnung 13 mit engerem Querschnitt als der innere Hohlraum 14 eine Hinterschneidung entsteht und der keramische Körper nicht lösbar mit dem metallischen Teil der Schaufel verbunden wird. Die Hohlräume 12 haben üblicherweise eine Tiefe von 0,2mm bis 10mm, insbesondere von 0,5mm bis 10mm, wobei natürliche Poren üblicherweise eine Grösse von 0,01 mm bis 0,5 mm haben.5 is a further embodiment for the mechanical connection between ceramic body with the metallic part of the airfoil by means of Holding structures shown. In the manufacture of the porous ceramic body 8 cavities 12 are arranged in the areas in which the connection should take place between metallic and non-metallic body 8. This Cavities preferably have a shape such that they are in the transition region to the metallic material an opening 13 with a narrower Have cross-section as the inner cavity 14 inside the ceramic Body 8. When pouring the shovel, metallic material flows into the Cavities 12 of the ceramic body, so that through the opening 13 with a narrower Cross-section as the inner cavity 14 creates an undercut and the ceramic body cannot be detached from the metallic part of the blade is connected. The cavities 12 usually have a depth of 0.2 mm to 10mm, in particular from 0.5mm to 10mm, with natural pores usually have a size of 0.01 mm to 0.5 mm.

In Fig. 6 und 7 ist nun ein gegossenes Schaufelblatt 1 mit einem porösen keramischen Körper 8 nach Fig. 5 dargestellt. Die Hohlräume 12 sind hier mit dem metallischen Werkstoff des Schaufelblattes 1 ausgefüllt, wodurch sich die mechanische Verbindung zwischen Schaufelblatt 1 und keramischem Körper 8 ergibt. Natürlich kann auch hier der keramische Körper 8 mit Vorsprüngen 11 ausgestaltet sein, um die mechanische Verbindung noch zu verbessern.6 and 7 is a cast airfoil 1 with a porous ceramic Body 8 shown in FIG. 5. The cavities 12 are here with the metallic Material of the airfoil 1 filled, which is the mechanical Connection between the airfoil 1 and ceramic body 8 results. Of course, the ceramic body 8 can also be configured with projections 11 here to improve the mechanical connection.

In Fig. 8 und 9 ist eine Möglichkeit dargestellt, um nachträglich einen porösen keramischen Körper 8 an der Vorderkante eines Schaufelblattes anzuordnen oder einen defekten keramischen Körper 8 entsprechend Fig. 1 bis 7 zu ersetzen. Die Hinterschneidungen bei den vorher gezeigten Gussvarianten können hier den nachträglichen Einbau eines keramischen Körpers 8 behindern, so dass eventuell das Schaufelblatt 1 vorbearbeitet werden muss. Durch die Ausgestaltung des Körpers 8 ist es jedoch auch möglich, dieses von der Seite her einzuschieben und durch Vorsprünge 11 so schon eine gewisse mechanische Verbindung mit dem metallischen Teil des Schaufelblattes 1 zu erzielen. Der keramische Körper 8 kann noch zusätzlich mittels Löten an Lötpunkten 15 mit dem metallischen Grundkörper verbunden werden. Vorzugsweise sind die Lötpunkte 15 so ausgestaltet, dass sie vorstehen und nach dem Lötprozess teilweise abgeschliffen werden können, um die Wärmebeeinflussungszone des Lötprozesses entfernen zu können.
Es ist jedoch auch möglich, den porösen keramischen Körper 8 durch eine nach dem Einsetzen des Körpers 8 im metallischen Schaufelwerkstoff befestigtem Halteelement 16 zu fixieren. Das Halteelement 16 ist dabei vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff und bevorzugt aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie die metallische Schaufel. Es können jedoch für die Halteelemente 16 auch andere metallische Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Vorzug s-weise wird MCrALY verwendet, wobei M Ni und / oder Co sein kann. Solche MCrALY Legierungen haben beispielsweise eine Zusammensetzung von (jeweils in Gew.-%): SV34 mit 11.8 bis 12.8% Cr, 23.5 bis 24.5% Co, 11.6 bis 12.2% Al, 2.8 bis 3% Re, 0.8 bis 1.2% Si, 0.4 bis 0.6% Y, 0.4 bis 0.6% Ta, Rest Ni und Verunreinigungen oder SV20 mit 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, Rest Ni und Verunreinigungen oder Haynes 214 mit 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, Rest Ni und Verunreinigungen, usw.8 and 9 show a possibility for subsequently arranging a porous ceramic body 8 on the front edge of an airfoil or for replacing a defective ceramic body 8 according to FIGS. 1 to 7. The undercuts in the previously shown cast variants can hinder the subsequent installation of a ceramic body 8, so that the airfoil 1 may have to be pre-processed. Due to the design of the body 8, however, it is also possible to insert it from the side and to achieve a certain mechanical connection with the metallic part of the airfoil 1 by means of projections 11. The ceramic body 8 can additionally be connected to the metallic base body by means of soldering at soldering points 15. The soldering points 15 are preferably designed such that they protrude and can be partially ground off after the soldering process in order to be able to remove the heat-affected zone of the soldering process.
However, it is also possible to fix the porous ceramic body 8 by means of a holding element 16 which is fastened in the metallic blade material after the body 8 has been inserted. The holding element 16 is preferably made of a metallic material and preferably of the same metallic material as the metallic blade. However, other metallic coating materials can also be used for the holding elements 16. MCrALY is preferably used, where M can be Ni and / or Co. Such MCrALY alloys have, for example, a composition of (each in% by weight): SV34 with 11.8 to 12.8% Cr, 23.5 to 24.5% Co, 11.6 to 12.2% Al, 2.8 to 3% Re, 0.8 to 1.2% Si, 0.4 up to 0.6% Y, 0.4 to 0.6% Ta, balance Ni and impurities or SV20 with 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, balance Ni and impurities or Haynes 214 with 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, balance Ni and impurities, etc.

Die Halteelemente 16 werden z.B. am metallischen Schaufelwerkstoff angeschweisst und greifen in Aussparungen 17 des porösen Körpers 8 ein und verhindern so mechanisch ein Herausfallen des Körpers 8. Die Vorsprünge 11 werden dann nicht benötigt.The holding elements 16 are e.g. welded to the metal blade material and engage and prevent recesses 17 in the porous body 8 mechanically falling out of the body 8. The projections 11 are then not needed.

In den Fig. 10 bis 14 sind verschiedene Ausgestaltungen der Halteelemente 16 im Detail dargestellt. Solche Halteelemente 16 sind im wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 100 57 187 A1. Mittels Schweiss-, Niet- oder Gussverfahren werden diese Halteelemente auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers der Schaufel aufgetragen.
Das Material der Halteelemente 16 kann im wesentlichen identisch zum metall i-schen Material des Grundkörpers der Schaufel gewählt werden. Es können jedoch für die Halteelemente auch andere metallische Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Vorzugsweise wird MCrALY verwendet, wobei M Ni und / oder Co sein kann. Solche MCrALY Legierungen haben beispielsweise eine Zusammensetzung von (jeweils in Gew.-%): SV34 mit 11.8 bis 12.8% Cr, 23.5 bis 24.5% Co, 11.6 bis 12.2% Al, 2.8 bis 3% Re, 0.8 bis 1.2% Si, 0.4 bis 0.6% Y, 0.4 bis 0.6% Ta, Rest Ni und Verunreinigungen oder SV20 mit 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, Rest Ni und Verunreinigungen oder Haynes 214 mit 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, Rest Ni und Verunreinigungen, usw.10 to 14, various configurations of the holding elements 16 are shown in detail. Such holding elements 16 are essentially known from the prior art, for example from DE 100 57 187 A1. These holding elements are applied to the surface of the metallic base body of the blade by means of welding, riveting or casting processes.
The material of the holding elements 16 can be chosen to be essentially identical to the metallic material of the base body of the blade. However, other metallic coating materials can also be used for the holding elements. MCrALY is preferably used, where M can be Ni and / or Co. Such MCrALY alloys have, for example, a composition of (each in% by weight): SV34 with 11.8 to 12.8% Cr, 23.5 to 24.5% Co, 11.6 to 12.2% Al, 2.8 to 3% Re, 0.8 to 1.2% Si, 0.4 up to 0.6% Y, 0.4 to 0.6% Ta, balance Ni and impurities or SV20 with 25% Cr, 5.5% Al, 3% Si, 1% Ta, 0.5% Y, balance Ni and impurities or Haynes 214 with 16% Cr, 4.5% Al, 2.5% Fe, balance Ni and impurities, etc.

Die Halteelemente 16 sind so ausgestaltet, dass eine Hinterschneidung 18 erzeugt wird. Diese Hinterschneidung wird entsprechend Fig. 11 und Fig. 13 durch ein kugelförmiges Halteelement 16 oder nach Fig. 12 durch ein pilzförmiges Halteelement 16 erzeugt. Diese pilzförmigen Halteelemente 16 werden durch einen Hals 21 und einen Kopf 22 gebildet, wobei der Hals 21 einen geringeren Durchmesser aufweist als der Kopf 22. Durch diese pilzförmige Ausgestaltung der Halteelemente 16 können Schichtdicken 19 des nichtmetallischen Beschichtungskörpers 8 von bis zu 10 mm erzielt werden. In Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung der Halteelemente 16 auf der Oberfläche des metallischen Grundkörpers dargestellt.The holding elements 16 are designed such that an undercut 18 is produced becomes. This undercut is shown in FIGS. 11 and 13 by a spherical holding element 16 or according to FIG. 12 by a mushroom-shaped holding element 16 generated. These mushroom-shaped holding elements 16 are by a Neck 21 and a head 22 are formed, the neck 21 having a smaller diameter has as the head 22. This mushroom-shaped design of the holding elements 16 can layer thicknesses 19 of the non-metallic coating body 8 of up to 10 mm can be achieved. 10 is a plan view of a possible arrangement of the holding elements 16 on the surface of the metallic Basic body shown.

Durch die Halteelemente 16 wird eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit auf der Oberfläche des metallischen Grundkörpers erzielt, wodurch mit dem im flüssigen Zustand oder durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragenen nichtmetall i-sche Material des Beschichtungskörpers 8 eine formschlüssige Verbindung erzielt wird. Durch die oben beschriebenen Hinterschneidungen 18 verkrallt sich dabei das nichtmetallische Material des Beschichtungskörpers mit dem metallischen Grundkörper.A corresponding surface roughness is created by the holding elements 16 achieved the surface of the metallic base body, whereby with that in the liquid Condition or non-metallic applied by plasma or flame spraying Material of the coating body 8 achieved a positive connection becomes. The undercuts 18 described above cling to one another the non-metallic material of the coating body with the metallic Body.

Nach Fig. 13 kann das oben beschrieben Verfahren auch bei der Reparatur und Rekonditionierung von Schaufeln zur Anwendung kommen, indem Löcher 20 im metallischen Grundkörper zuerst aufgefüllt werden, dann die Halteelemente 16 angebracht werden und dann die nichtmetallische Beschichtung 8 aufgebracht wird.13, the method described above can also be used in the repair and Reconditioning of blades are used by holes 20 in the metallic base are first filled, then the holding elements 16 are attached and then applied the non-metallic coating 8 becomes.

In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform von Halteelementen 16 dargestellt. Diese weisen ebenfalls einen Hals 21 und einen Kopf 22 auf, der jedoch hier trapezförmig ausgeformt ist. Der Hals 21 weist ebenfalls einen geringeren Durchmesser auf als der trapezförmige Kopf 22. Der Hals 21 kann hier zusätzlich nicht nur einen Kopf 22 am Ende des Halses 21 aufweisen, sondern zusätzliche Ausbuchtungen 23, mittels deren weitere Hinterschneidungen gebildet werden. Dadurch kann bei langen Hälsen 21 die Verkrallung zwischen nichtmetallischem Beschichtungskörper 8 und dem metallischen Grundkörper weiter verbessert werden. Solche Halteelemente 16, wie in Fig. 6 beschrieben, können ebenfalls aufgeschweisst, angenietet oder im Gussverfahren erzeugt werden.14 shows a further embodiment of holding elements 16. These also have a neck 21 and a head 22, which, however, is trapezoidal here is formed. The neck 21 also has a smaller diameter on than the trapezoidal head 22. The neck 21 cannot additionally here have only one head 22 at the end of the neck 21, but additional bulges 23, by means of which further undercuts are formed. Thereby can with long necks 21 the claw between non-metallic coating body 8 and the metallic base body can be further improved. Such holding elements 16, as described in FIG. 6, can also be welded on, riveted or produced in the casting process.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die weiteren Ausbuchtungen 23 können natürlich auch bei der pilzförmigen Ausgestaltung der Halteelemente 16 nach Fig. 12 im Halsbereich angeordnet werden.
Zwischen nichtmetallischem Beschichtungskörper 8 und dem metallischen Teil des Schaufelblattes können zur Aufnahme der unterschiedlichen Dehnungen auch metallische oder nichtmetallische Materialien angeordnet werden. So kann z.B. als Zwischenschicht ein Keramikflies oder -gestrick mit Lot angebracht werden. Dadurch werden die unterschiedlichen Ausdehnungen der verwendeten Materialien für den metallischen Teil der Schaufel und den nichtmetallischen Beschichtungskörper ausgeglichen. Of course, the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described. The further bulges 23 can of course also be arranged in the neck region in the mushroom-shaped configuration of the holding elements 16 according to FIG. 12.
Between the non-metallic coating body 8 and the metallic part of the airfoil, metallic or non-metallic materials can also be arranged to absorb the different expansions. For example, a ceramic tile or knitted fabric with solder can be applied as an intermediate layer. This compensates for the different expansions of the materials used for the metallic part of the blade and the non-metallic coating body.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bauteil; Schaufelcomponent; shovel
22
Hohlraumcavity
33
Vorderkanteleading edge
44
Hinterkantetrailing edge
55
saugseitige Wandsuction side wall
66
druckseitige Wandpressure side wall
77
Kühlfluidcooling fluid
88th
nichtmetallischer Körpernon-metallic body
99
Haltestrukturenretaining structures
1010
Öffnungenopenings
1111
Vorsprunghead Start
1212
Hohlraumcavity
1313
Oeffnung Hohlraum 12Opening cavity 12
1414
innerer Hohlrauminner cavity
1515
Lötpunktsoldering
1616
Halteelementretaining element
1717
Aussparungrecess
1818
Hinterschneidungundercut
1919
Schichtdickelayer thickness
2020
Lochhole
2121
Halsneck
2222
Kopfhead
2323
Ausbuchtungbulge

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung eines wärmebelasteten Bauteiles (1) einer Wärmekraftmaschine, wobei das Bauteil (1) Kühlkanäle (2, 10) aufweist und mittels einer Gussform hergestellt wird,
umfassend folgende Schritte: Herstellung eines nichtmetallischen Körpers (8), Anordnen des nichtmetallischen Körpers (8) in der Gussform, Einbringen von geschmolzenem metallischen Werkstoff in die Gussform und Entfernen der Gussform. Method for producing a thermally loaded component (1) of a heat engine, the component (1) having cooling channels (2, 10) and being produced by means of a casting mold,
comprising the following steps: Manufacture of a non-metallic body (8), Arranging the non-metallic body (8) in the mold, Introducing molten metallic material into the mold and Remove the mold. Verfahren nach Anspruch 1,
weiter umfassend folgende Schritte: Herstellung eines nichtmetallischen Körpers (8), Herstellen eines Wachsmodells des herzustellenden Bauteiles mit Aussparungen, Anbringen des nichtmetallischen Körpers an das Wachsmodell an den dafür vorgesehen Aussparungen, Herstellung der Gussform durch Eintauchen des Wachsmodells mit daran angeordnetem nichtmetallischen Körper (8) in Keramikschlicker, trocknen des Keramikschlickers und Wärmebehandlung zum Entfernen des Wachses aus der so erhaltenen Gussform, Einbringen von geschmolzenem metallischen Werkstoff in die Gussform und Entfernen der Gussform. Method according to claim 1,
further comprehensively the following steps: Manufacture of a non-metallic body (8), Manufacture of a wax model of the component to be manufactured with recesses, Attaching the non-metallic body to the wax model at the recesses provided, Production of the casting mold by immersing the wax model with the non-metallic body (8) arranged thereon in ceramic slip, drying the ceramic slip and heat treatment to remove the wax from the casting mold thus obtained, Introducing molten metallic material into the mold and Remove the mold. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Körper (8) Hohlräume (12) aufweist, welche im Gussprozess mit metallischem Werkstoff gefüllt werden und deren Öffnung (13) einen engeren Querschnitt aufweist als ein mit der Öffnung (13) verbundener innerer Hohlraum (14).Method according to claim 1 or 2,
characterized in that the non-metallic body (8) has cavities (12) which are filled with metallic material in the casting process and whose opening (13) has a narrower cross section than an inner cavity (14) connected to the opening (13). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Körper (8) zur Erzeugung einer Verzahnung mit dem metallischen Teil des Bauteiles Vorsprünge und/oder Hinterschneidungen aufweist.Method according to claim 1,
characterized in that the non-metallic body (8) has projections and / or undercuts for producing a toothing with the metallic part of the component. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem nichtmetallischen Körper (8) und dem metallischen Teil des Bauteiles (1) eine weitere Schicht zur Aufnahme von Dehnungsunterschieden angeordnet ist.Method according to claim 1,
characterized in that a further layer for absorbing expansion differences is arranged between the non-metallic body (8) and the metallic part of the component (1). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das wärmebelastete Bauteil (1) eine Leit- oder Laufschaufel ist.Method according to claim 1,
characterized in that the heat-loaded component (1) is a guide or moving blade. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Körper (8) an der Vorderkante (3) des Schaufelblattes (1) der Schaufel angeordnet ist.Method according to claim 6,
characterized in that the non-metallic body (8) is arranged on the front edge (3) of the airfoil (1) of the blade. Verfahren nach Anspruche 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Körper ein keramischer Körper (8) ist und/oder dass der nichtmetallische Körper (8) eine offene Porosität aufweist. Method according to claim 1,
characterized in that the non-metallic body is a ceramic body (8) and / or in that the non-metallic body (8) has an open porosity. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmedium (7) durch die offene Porosität des keramischen Körpers (8) austritt, um eine Schwitzkühlung zu erzeugen.A method according to claim 8,
characterized in that the cooling medium (7) emerges through the open porosity of the ceramic body (8) in order to produce a sweat cooling. Wärmebelastetes Bauteil (1) einer Wärmekraftmaschine, wobei das Bauteil (1) Kühlkanäle (2, 10) und einen nichtmetallischen Beschichtungskörper (8) aufweist, welcher mittels der Kühlkanäle mit Kühlfluid versorgt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des metallischen Grundkörpers des Bauteiles (1) Halteelemente (16) mit Hinterschneidungen (18) angeordnet sind und dass diese Halteelemente (16) mit dem eine offenporige Porosität aufweisenden nichtmetallischen Beschichtungskörper (8) umgeben sind.Thermally loaded component (1) of a heat engine, the component (1) having cooling channels (2, 10) and a non-metallic coating body (8) which is supplied with cooling fluid by means of the cooling channels,
characterized in that holding elements (16) with undercuts (18) are arranged on the surface of the metallic base body of the component (1) and that these holding elements (16) are surrounded by the non-metallic porosity of the non-metallic coating body (8). Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (16) einen Hals (21) und einen Kopf (22) aufweisen, und dass der Hals (21) einen geringeren Durchmesser aufweist als der Kopf (22).Thermally loaded component according to claim 10,
characterized in that the holding elements (16) have a neck (21) and a head (22) and that the neck (21) has a smaller diameter than the head (22). Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hals (21) des Haltelementes (16) weitere Ausbuchtungen (23) aufweist, welche einen grösseren Durchmesser als der Hals (21) aufweisen.Heat-stressed component according to claim 11,
characterized in that the neck (21) of the holding element (16) has further bulges (23) which have a larger diameter than the neck (21). Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das wärmebelastete Bauteil (1) eine Schaufel (1) einer Turbomaschine ist. Thermally loaded component according to claim 10,
characterized in that the heat-loaded component (1) is a blade (1) of a turbomachine. Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der eine offenporige Porosität aufweisende nichtmetallische Beschichtungskörper (8) über einen sich in Längsrichtung der Schaufel (1) erstreckenden Hohlraum (2) und über Öffnungen (10) im metallischen Grundkörper der Schaufel (1) mit Kühlfluid versorgbar ist.Thermally loaded component according to claim 13,
characterized in that the non-metallic porosity of the non-metallic coating body (8) can be supplied with cooling fluid via a cavity (2) extending in the longitudinal direction of the blade (1) and via openings (10) in the metallic base body of the blade (1). Wärmebelastetes Bauteil nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der eine offenporige Porosität aufweisende nichtmetallischen Beschichtungskörper (8) an der Vorderkante (3) und/oder der Hinterkante (4) und/oder der Plattform der Schaufel (1) angeordnet ist.Heat-stressed component according to claim 13 or 14,
characterized in that the non-metallic porosity non-metallic coating body (8) is arranged on the front edge (3) and / or the rear edge (4) and / or the platform of the blade (1).
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