STOPFEN ZUM LÖTEN, BAUTEIL EINER GASTURBINE UND VERFAHREN

Die Erfindung betri f ft einen Stopfen für Bauteile von Gasturbinen, der eingelötet wird, ein Bauteil einer Gasturbine sowie ein Verfahren .

Turbinenkomponenten im Heißgasbereich von Gasturbinen werden üblicherweise im Vakuumfeinguss hergestellt .

In diesem Prozess werden viel fachfach Formkerne gesetzt , um Hohlräume für Kühlungskonzepte zu generieren .

Diese Formkerne werden normalerweise über Platinpins in Position gehalten . Prozessbedingt können diese Platinpins vorzeitig abschmel zen und führen zum Verrutschen der Formkerne und damit zu Maßabweichungen .

Keramische Haltepins dagegen sind prozessstabiler, hinterlassen aber beim Einsatz Durchstöße ( Durchgangslöcher ) .

Dieses Durchgangsloch muss für das fertige Gussbauteil einer Gasturbine verschlossen sein .

Solche Formkerne werden bei Turbinenschaufeln für Gasturbinen in einer Leistungsklasse größer 200MW verwendet .

Auch bei anderen Durchgangslöchern bei Bauteilen von Gasturbinen, die durch ggf . Überarbeitung von Rissen oder anderen Defekten entstehen, ergibt sich dieselbe Problematik .

Dies kann durch einfaches Befüllen des Durchgangslochs durch Löten mit Lot erfolgen, was j edoch nicht immer befriedigend ist .

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen . Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stopfen gemäß Anspruch 1 , ein Bauteil nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Löten gemäß Anspruch 12 .

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen .

Es zeigen die

Figur 1 ein Bauteil mit einem Durchgangsloch,

Figuren 2 , 3 erfindungsgemäße Stopfen und

Figur 4 die Vorgehensweise beim Löten,

Figur 5 Stopfen in der Wand nach dem Löten .

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Aus führungsbeispiel der Erfindung dar .

Durch dieses Stopfen-Konzept können sowohl Ausschussrate als auch innovative Kühlkonzepte umgesetzt werden .

Jegliche Randbedingungen für den Einsatz im Heißgasbereich von Gasturbinen werden hier berücksichtigt :

Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit Materialeigenschaf ten mechanische Integrität .

Bei dem Stopfen löten mit einem flexiblen Material mit Infiltrationstechnologie handelt es sich um eine komplett neue Fertigungsmöglichkeit .

In Figur 1 ist ein gegossenes Bauteil 1 für eine Gasturbine mit einem Durchgangsloch 7 dargestellt .

Das Bauteil 1 weist eine Wand 4 zu einem nicht näher dargestellten Hohlraum 5 auf .

Während des Gießens war im Bereich des Hohlraums 5 ein Kern vorhanden, der im Bereich des Durchgangslochs 7 durch einen Pin zu einer äußeren Guss form abgestützt wurde . Dieses Durchgangsloch 7 in der Wand 4 des Bauteils 1 gilt es zu verschließen .

Generell gilt das für alle Bauteile 1 mit Durchgangslöchern 7 .

Das Durchgangsloch 7 hat vorzugweise eine zylindrische oder symmetrische Form .

Dies ist aber nicht einschränkend, da der Stopfen beliebig in seiner Form angepasst werden kann .

Die Wand 4 weist ein Substratmaterial , insbesondere eine nickelbasierte oder kobaltbasierte Superlegierung, auf .

Figur 2 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Stopfen 20 in Aufsicht oder Querschnitt .

Der Stopfen 20 weist ein längliches Teil 23 und einen Kopf 26 auf .

Insbesondere besteht der Stopfen 20 aus dem länglichen Teil 23 und dem Kopf 26 und ist vorzugsweise einstückig ausgebildet .

Der Stopfen 20 weist eine Längsachse 13 auf .

Der Kopf 26 schließt sich insbesondere konzentrisch an dem länglichen Teil 23 an oder sitzt dort auf .

Das längliche Teil 23 des Stopfens 20 weist senkrecht zu seiner Längsachse 13 zur Stirnseite ( 18 ' ) hin einen kleiner werdenden Querschnitt auf , insbesondere ist das längliche Teil 23 in der Zeichnungsebene stumpf kegel förmig ausgebildet .

Das längliche Teil 23 wird sich beim Löten komplett im Durchgangsloch 7 befinden ( Figur 4 ) .

Der Kopf 26 wird beim Löten außerhalb des Durchgangslochs 7 verbleiben und insbesondere an der Wand 4 außen anliegen ( Figur 4 ) . Der Stopfen 20 weist in seinem Randbereich 18' des länglichen Teils 23 sowie in dem Randbereich 18' ' des Kopfes 26 jeweils eine Lotschicht auf, d.h. die Lotschicht bildet den Randbereich 18', 18' '.

Die äußeren Randbereiche 18', 18' ' weisen eine Zusammensetzung von 100% Lotmaterial auf oder zumindest einen höheren Anteil an Lotmaterial, insbesondere von absolut mindestens 60%, insbesondere von mindestens 70% an Lotmaterial auf, d.h. der Rest bildet ggf. ein Substratmaterial des Stopfens 20.

Der restliche Bereich des länglichen Teils 23 und des Kopfs 26 weist eine Mischung aus diesem Substratmaterial und vorzugsweise demselben Lotmaterial auf.

Der Stopfen 20 weist also außerhalb der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' (Fig. 3) ein Mischungsverhältnis von Lotmaterial und Substratmaterial von 40 Gew.% zu 60 Gew.% bis 0 Gew.% zu 100 Gew.%, insbesondere 10 Gew.% zu 90 Gew.% auf.

Der Anteil des Lotmaterials in diesem „inneren" Bereich unterscheidet sich von den Randbereichen 18', 18'; 28', 28' ' (Fig. 3) zumindest relativ um 20%.

Das Substratmaterial des Stopfens 20, 30 (Fig. 3) ist vorzugsweise dasselbe wie das des Substratmaterials der Wand 4 oder ist ähnlich.

Das Lotmaterial ist vorzugsweise auch eine nickelbasierte oder kobaltbasierte Legierung, welche gegenüber dem Substratmaterial (der Wand 4 oder des Stopfens 20, 30) eine um mindestens 10K, insbesondere mindestens 20K, niedrigere Schmelztemperatur aufweist.

Dies erfolgt vorzugsweise durch Zugabe von Bor (B) und/oder Silizium (Si) und/oder Phosphor (P) .

Die Dicke der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' ist so gewählt, dass nach dem Löten, was eine Homogenisierung bedingt, eine Verteilung von Substratmaterial zu Lotmaterial für den gesamten Stopfen 20, 30 vorliegt (Fig. 5) .

Das Lotmaterial in den Randbereichen 18', 18' '; 28', 28' ' und das Lotmaterial für die Mischung aus Substratmaterial und Lotmaterial zwischen den Randbereichen 18', 18' ' ist vorzugsweise das dasselbe.

Die Geometrie des länglichen Teils 23 ist fast komplementär zur Geometrie des Durchgangslochs 7 ausgebildet.

Figur 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stopfen 30 im Querschnitt, bei dem im Gegensatz zu Figur 2 der Kopf 36 einen Kugelkopf darstellt, aber wieder ebenso ein längliches Teil 33 aufweist.

In den äußeren Randbereichen 28', 28' ' des Stopfen 30 sind wiederum Bereiche vorhanden, die insbesondere nur aus Lotmaterial bestehen.

Ansonsten gelten bis auf die Geometrie des Kopfes 36 die Ausführungen gemäß Figur 2, d.h. der Randbereich 28' ' stellt keine Platte dar, sondern eine Halbhohlkugel.

Figur 4 zeigt vereinfacht die Anordnung der Stopfen 20, 30 in dem Bauteil 1 mit dem Durchgangsloch 7, hier beispielhaft gezeigt für den Stopfen 30, bei dem das längliche Teil 33 mit dem Randbereich 28' sich komplett im Durchgangsloch 7 befindet und dieses ausfüllt und der Kopf 36 außen an der Wand 4 anliegt .

Der Stopfen 30, 20 wurde vorzugsweise im grünen Zustand, also als Pulverpressling mit Binder, in das Durchgangsloch 7 gepresst .

Vor dem Löten des Stopfens 20, 30 innerhalb des Durchgangslochs 7 findet eine Entbinderung statt.

Nach dem Löten haben sich Lotmaterial der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' und Lotmaterial des länglichen Teils 23, 33 gleichmäßig verteilt , also von 50% Substratmaterial zu 50% Lotmaterial bis

75% Substratmaterial zu 25% Lotmaterial insbesondere von 60% Substratmaterial zu 40% Lotmaterial bis 75% Substratmaterial zu 25% Lotmaterial für eine Lötfüllung 14 .

Nach Überarbeitung des überschüssigen Materials aufgrund des Kopfes 26 , 36 ergibt sich eine Anordnung gemäß Figur 5 , bei dem in dem Durchgangsloch 7 eine gleichmäßige Verteilung der Lötfüllung 14 von Substratmaterial und Lotmaterial gegeben ist .

Natürlich gibt es in den Randbereichen zwischen dem Bereich 14 und der Wand 4 Di f fusionserscheinungen von Lotmaterial in das Substratmaterial der Wand 4 hinein .