Gussform

Die Erfindung betrifft einen metallischen Pin, der beim Feingussverfahren in einer keramischen Gussform verwendet wird.

Beim Feingießen, insbesondere bei Turbinenschaufeln sind oft innere Kerne vorhanden, die exakt umgössen werden müssen und Abstandhalter benötigen. Dazu werden Pins aus reinem Platin verwendet . Dies stellt eine teure Lösung dar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Pin aufzuzeigen, der billiger ist und in einer keramischen Gussform verwendet werden kann.

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

Es zeigen:

Figur 1, 2 erfindungsgemäße Ausführungen eines Pins,

Figur 3 eine Gasturbine Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel

Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und

Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Pin allgemein

Figur 1 zeigt einen Pin 1, der bei einem Gussverfahren von metallischem Schmelzen in einer keramischen Gussform verwendet wird.

Dabei kommen die Pins 1 insbesondere beim einkristallinen Gießen bzw. beim Herstellen von kolumnar erstarrten Körnern zum Einsatz, insbesondere bei Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 4) aus Superlegierungen wie Nickelbasiswerkstoffen (Fig. 6) .

Einheitlicher Pin

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Pin 1 vollständig metallisch.

Vorzugsweise besteht der Pin 1 aus nur einem einzigen metallischen Material (Legierung) . Dies macht das Recycling und die Herstellung einfacher.

Der Pin 1 weist erfindungsgemäß eine Legierung aus einem Platinmetall, insbesondere Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Iridium (Ir) auf.

Insbesondere besteht der Pin 1 aus einer Platin-Legierung. Die Platinlegierung ist eine Legierung aus Platin (Pt), vorzugsweise mit Iridium (Ir) oder Palladium (Pd) oder mit Iridium (Ir) und Palladium (Pd) : (Pt, Pd, Ir) , (Pt/Pd) , (Pt/Ir) . Vorzugsweise wird Pt70/Ir30 (in wt%) verwendet.

Ebenso interessant ist die Legierung Pt70/Pd30 (in wt%) .

Ebenso vorzugsweise kann eine Nickellegierung mit Platin (oder Platin-Nickellegierung) oder mit Palladium verwendet werden, ganz vorzugsweise Pt90/Nil0 (Ts= 1680 ⁰ C) oder Pd50Ni50 bzw. Pd70Ni30.

Auch Legierungen aus Pd/Ir, vorzugsweise Pd90/Irl0 sind interessant mit einem Schmelzpunkt von 1600 ⁰ C. Ebenso kann Silber (Ag) mit geringen Anteilen (<10%) als Legierungszusatz verwendet werden, also vorzugsweise Pd/Ir/Ag.

Ebenso vorzugsweise kann Pt/Al verwendet werden.

Der Pin 1 wird insbesondere kostengünstig aus einem Drahtwerkstoff hergestellt.

Der Preis für Iridium (Ir) und Palladium (Pd) oder die anderen Metalle ist erheblich billiger (Faktor mindestens 3 bis 4), so dass erhebliche Kostenvorteile erzielt werden, auch wenn noch Platin enthalten ist.

Pin mit Ummantelung

In Figur 2 ist ein weiterer erfindungsgemäßer Pin 1 dargestellt. Der Pin 1 gemäß Figur 2 weist einen Kern 4 auf, der insbesondere vollständig, von einer Ummantelung 7 ummantelt und umgeben ist.

Die Materialien von Kern 4 und Ummantelung 7 sind verschieden . Vorzugsweise wird für den Kern 4 und die Ummantelung 7 nur metallisches Material verwendet, das besser recycelt werden kann .

Der Kern

Der Kern 4 weist vorzugsweise einen Nickelbasisstoff (Fig. 6) auf, der insbesondere ausscheidungsgehärtet ist. Auch kann der Kern 4 eine Kobaltbasislegierung aufweisen, insbesondere nach Figur 6.

Ebenso vorzugsweise kann der Kern 4 eine Legierung eines Platinmetalls (Pt, Pd, Ir) (Pt/Pd, Pt/Ir, Pt/Ir/Pt, Pd/Ir) auf- weisen, insbesondere daraus bestehen. Ebenso ist vorzugsweise Pt/Ni oder Pd/Ni zu verwenden.

Der Kern 4 wird insbesondere aus einem Drahtwerkstoff hergestellt .

Weiterhin vorzugsweise weist der Kern 4 eine Keramik auf, insbesondere besteht der Kern 4 aus einer Keramik. Keramik ist günstiger und leichter als Metall, jedoch ist dies etwas aufwendiger beim Recycling.

Die Ummantelung

Die Ummantelung 7 um den Kern 4 wird vorzugsweise aus reinem Platin (Pt) gebildet oder einer der oben genannten

Legierungen eines Platinmetalls (Pt, Pd, Ir) (Pt/Pd, Pt/Ir,

Pt/Ir/Pd, Pd/Ir) .

Ebenso vorzugsweise kann Pt/Al verwendet werden.

Auch so lässt sich wegen des geringeren Volumenanteils von

Platin (Pt) der Anteil von Platin (Pt) für einen Pin 1 reduzieren, so dass sich hier Kostenvorteile erzielen lassen, ohne auf die gute Oxidationsbeständigkeit von Platin (Pt) verzichten zu müssen.

Insbesondere besteht die Ummantelung 7 aus einer Platin- Legierung. Die Platinlegierung ist eine Legierung aus Platin (Pt), vorzugsweise mit Iridium (Ir) und/oder Palladium (Pd) und/oder mit Iridium (Ir) und Palladium (Pd) . Vorzugsweise wird Pt70/Ir30 (in wt%) verwendet.

Ebenso interessant ist die Legierung Pt70/Pd30 (in wt%) .

Ebenso vorzugsweise kann eine Nickellegierung mit Platin oder Palladium verwendet werden, ganz vorzugsweise Pt90/Nil0 (Ts= 1680 ⁰ C) oder Pd50Ni50 bzw. Pd70Ni30.

Auch Legierungen aus Pd/Ir, (vorzugsweise Pd90/Irl0) sind interessant mit einem Schmelzpunkt von 1600 ⁰ C. Die Ummantelung kann durch Galvanisieren, Eintauchen oder Besprühen, usw. mit dem Metall erfolgen ggf. mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung.

Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet . Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.

Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden

Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .

Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen

Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen

(directionally solidified structures) .

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP

0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstar- rungsverfahrens Teil der Offenbarung.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .

Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil ^¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf. Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 ⁰ C bis 1600 ⁰ C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.

Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.

Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.

Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän ^¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Ein- satz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.