Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING A TURBINE BLADE BY MEANS OF ELECTRON BEAM MELTING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/198210
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a turbine blade (1) with a blade root portion (2), a blade aerofoil portion (3), adjoining the blade root portion (2), and a blade tip portion (4), adjoining the blade aerofoil portion (3), wherein the blade root portion (2), the blade aerofoil portion (3) and the blade tip portion (4) are connected to one another in a material-bonding manner, and wherein at least one cavity (5), serving as a cooling channel, extends through the blade root portion (2) and the blade aerofoil portion (3), characterized in that at least the blade aerofoil portion (3) is produced layer by layer by using an EMB process, and in that, after removing caked-on powder material from the at least one cavity (5), the blade tip portion (4) is produced by using some other production technology.

Inventors:
BRUNHUBER CHRISTIAN (DE)
Application Number:
EP2016/059412
Publication Date:
December 15, 2016
Filing Date:
April 27, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (80333, DE)
International Classes:
B22F3/105; B22F5/00; B22F5/04; B22F7/06; F01D5/12; F01D5/30
Domestic Patent References:
WO2014052323A12014-04-03
Foreign References:
DE102006049216A12008-04-24
EP2620594A12013-07-31
EP2853323A22015-04-01
Other References:
KLOCKE FRITZ ET AL: "Turbomachinery component manufacture by application of electrochemical, electro-physical and photonic processes", CIRP ANNALS, vol. 63, no. 2, December 2014 (2014-12-01), pages 703 - 726, XP029041329, ISSN: 0007-8506, DOI: 10.1016/J.CIRP.2014.05.004
MURR L E ET AL: "Microstructures of Rene 142 nickel-based superalloy fabricated by electron beam melting", ACTA MATERIALIA, ELSEVIER, OXFORD, GB, vol. 61, no. 11, 6 May 2013 (2013-05-06), pages 4289 - 4296, XP028540678, ISSN: 1359-6454, DOI: 10.1016/J.ACTAMAT.2013.04.002
WILLIAM E. FRAZIER: "Metal Additive Manufacturing: A Review", JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING AND PERFORMANCE, vol. 23, no. 6, 1 June 2014 (2014-06-01), pages 1917 - 1928, XP055170181, ISSN: 1059-9495, DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren

zum Fertigen einer Turbinenschaufel (1)

mit einem Schaufelfußabschnitt (2),

einem sich an den Schaufelfußabschnitt (2) anschließenden Schaufelblattabschnitt (3) und

einem sich an den Schaufelblattabschnitt (3) anschließenden Schaufelspitzenabschnitt (4),

wobei der Schaufelfußabschnitt (2), der Schaufelblattab¬ schnitt (3) und der Schaufelspitzenabschnitt (4) stoff¬ schlüssig miteinander verbunden sind, und

wobei sich durch den Schaufelfußabschnitt (2) und den

Schaufelblattabschnitt (3) zumindest ein als Kühlkanal die¬ nender Hohlraum (5) erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest der Schaufelblattabschnitt (3) unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt wird, und dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) nach einem Entfernen angebackenen Pulvermaterials aus dem zumindest einen Hohl¬ raum (5) unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie gefertigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens

schichtweise hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelfußabschnitt (2) als vorgefertigtes Bauteil be¬ reitgestellt wird,

wobei der Schaufelblattabschnitt (3) unter Verwendung eines

EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußabschnitt (2) aufgebaut wird, oder

wobei der Schaufelblattabschnitt (3) vorab unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt und

anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt (2) stoffschlüs¬ sig verbunden,

insbesondere verschweißt wird.

Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelfußabschnitt (2) gießtechnisch hergestellt wird .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) aus einem ersten Material hergestellt sind, und

dass der Schaufelspitzenabschnitt (4) aus einem zweiten Ma¬ terial hergestellt ist, das von dem ersten Material ver¬ schieden ist,

wobei es sich bei dem zweiten Material insbesondere um ein Material handelt, dass eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das erste Material aufweist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelfußabschnitt (2) und der Schaufelblattabschnitt (3) aus einer Superlegierung hergestellt sind,

insbesondere aus einer Nickelbasis-Legierung.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Schaufelspitzenabschnitt (4) nach der Herstellung des Schaufelblattabschnittes (2) als vorgefertigtes Bauteil stoffschlüssig mit dem Schaufelblattabschnitt (3) verbunden oder

unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens schicht¬ weise am freien Ende des Schaufelblattabschnittes (3) auf¬ gebaut wird,

insbesondere unter Einsatz eines LMD-Verfahrens .

Description:
Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfußabschnitt, einem sich an den Schaufelfußabschnitt anschließenden Schaufel ¬ blattabschnitt und einem sich an den Schaufelblattabschnitt anschließenden Schaufelspitzenabschnitt, wobei der Schaufel- fußabschnitt, der Schaufelblattabschnitt und der Schaufel ¬ spitzenabschnitt stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei sich durch den Schaufelfußabschnitt und den Schau ¬ felblattabschnitt zumindest ein als Kühlkanal dienender Hohl ¬ raum erstreckt.

Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art. Die einen

Schaufelfußabschnitt, einen Schaufelblattabschnitt und einen Schaufelspitzenabschnitt aufweisen, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt und werden beispielsweise in Gasturbinen als Laufschaufeln verbaut, wo sie die Strömungsenergie sich entspannenden Heißgases in Ro ¬ tationsenergie umgewandelt.

Während des Betriebs einer Gasturbine sind die Turbinenschau- fein in Folge der hohen Temperaturen des Heißgases und der hohen Drehzahl der Turbinenwelle einer starken thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Massiv ausgebildete Laufschaufeln bieten einerseits eine hohe mechanische Belast ¬ barkeit. Andererseits begrenzen sie jedoch die maximal zuläs- sige Temperatur des durchströmenden Heizgases und somit den

Wirkungsgrad der Gasturbine. Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit werden der Schaufelfußabschnitt und der Schaufel ¬ blattabschnitt daher häufig mit Kühlkanäle bildenden Hohlräu ¬ men versehen, die sich in radialer Richtung erstrecken und während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Gasturbine von einem Kühlfluid durchströmt werden. Das in der Turbinenschau ¬ fel erwärmte Kühlfluid verlässt die Turbinenschaufel dann über entsprechende Kühlfluidauslassöffnungen und strömt zu- sammen mit dem entspannten Heißgas durch einen Abgaskanal aus der Gasturbine.

Massiv ausgebildete Turbinenschaufeln unterliegen in Bezug auf ihre Herstellung keinen praktischen Beschränkungen, da sie alleine durch spanende Außenbearbeitung eines Rohlings hergestellt werden können. Gekühlte Turbinenschaufeln dagegen werden wegen ihrer durch die Hohlräume bedingten komplexen Formen meist mittels Gießen hergestellt. Dazu wird in eine die Außenfläche der Turbinenschaufel definierenden Gussform zumindest ein Kern zum Erzeugen des wenigsten einen Hohlraums eingelegt. Dieser wird mit Positioniermitteln in der Gussform ausgerichtet, um die geforderte Wandstärke der Turbinenschau ¬ fel einzustellen. Dann wird der zwischen der Gussform und dem Kern verbleibende Zwischenraum mit erhitztem flüssigen Gusswerkstoff gefüllt. Nach dem Erstarren des Gusswerkstoffs kann dann der Kern chemisch entfernt werden, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels, um auf diese Wei ¬ se den Hohlraum freizulegen.

Von Turbinenschaufeln mit neu entwickelten Designs werden zunächst Prototypen gefertigt, die dann in einer Gasturbine ge ¬ testet werden. Bei der Herstellung solcher Prototypen kommen immer häufiger additive Fertigungsverfahren zum Einsatz, da diese die Möglichkeit bieten, Turbinenschaufeln ausgehend von einer CAD-Zeichnung innerhalb kürzester Zeitintervalle schichtweise aufzubauen. Ein grundsätzlich vielversprechendes additives Fertigungsverfahren ist das LMD-Verfahren (Laser Metall Deposition) , bei dem ein pulverförmiger metalli- scher Werkstoff einem Trägergasstrom zugeführt und auf dem Weg zur Beschichtungsposition von einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Ein wesentlicher Vorteil des LMD-Verfahrens besteht darin, dass sich auch sehr komplexe, mit Hohlräumen und Hinterschneidungen versehene Formen fertigen lassen. Me- tallische Werkstoffe mit sehr hohem y x -Anteil lassen sich hingegen nicht oder nur sehr schlecht verarbeiten, wie beispielsweise Nickelbasis-Legierungen, aus denen thermisch stark beanspruchte Turbinenschaufeln häufig hergestellt sind. Eine Alternative stellt das EBM-Verfahren (Electron Beam Melting) dar. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem metallische Bauteile Schicht für Schicht aus einem Pul ¬ verbett generiert werden, indem Bereiche des Pulverbetts un- ter Verwendung eines Elektronenstrahls aufgeschmolzen und entsprechend verfestigt werden. Aufgrund der hohen Prozess ¬ temperaturen lassen sich auch metallische Werkstoffe mit ho ¬ hem Y x -Anteil verarbeiten. Während der Durchführung des Verfahrens ist allerdings dafür Sorge zu tragen, dass das Pul- verbett auch in Bereichen, in denen keine Bauteilschicht ge ¬ neriert wird, anbäckt, um den so genannten „Smoke-Effekt" aufgrund elektrischer Aufladung des Pulvers zu verhindern, der dazu führt, dass sich Pulver des Pulverbettes unkontrol ¬ liert im gesamten Bauraum verteilt. Entsprechend muss das an- gebackene Pulver nachträglich mit geeignetem Werkzeug entfernt werden. Hierzu muss das angebackene Pulver jedoch zu ¬ gänglich sein. Diese Zugänglichkeit ist bei innenliegenden Hohlräumen grundsätzlich nicht gegeben, wie beispielsweise bei Kühlkanäle definierenden Hohlräumen von Turbinenschaufeln der eingangs genannten Art. Vor diesem Hintergrund wird das EBM-Verfahren derzeit ausschließlich für die Fertigung von Prototypen von massiv ausgebildeten Turbinenschaufeln eingesetzt . Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zum Fertigen einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen . Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum fertigen einer Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zu ¬ mindest der Schaufelblattabschnitt unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise hergestellt wird, und das der Schaufelspitzenabschnitt nach einem entfernen angebackenem Pulvermaterials aus dem zumindest einem Hohlraum unter Ein ¬ satz einer anderen Fertigungstechnologie gefertigt wird. Auf ¬ grund der Tatsache, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schaufelblattabschnitt zunächst ohne den Schaufelspitzen ¬ abschnitt unter Einsatz eines EMB-Verfahrens generiert wird, bleibt zumindest ein Hohlraum, der durch den Schaufelblattab ¬ schnitt definiert wird, zumindest an der Oberseite offen und damit zur Entfernung angebackenem Pulvermaterials zugänglich. Entsprechend kann der Schaufelblattabschnitt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus nahezu beliebigen metal ¬ lischen Materialien bzw. mittels Legierungen schnell und preiswert hergestellt werden, was insbesondere bei der Proto- typen Fertigung von großem Vorteil ist. So lässt sich der

Schaufelblattabschnitt beispielsweise aus einer Superlegie- rung fertigen, zum Beispiel aus einer Nickelbasis- Superlegierung . Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung werden der

Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise herge ¬ stellt. Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass sich ein großer Teil der Turbinenschaufel quasi direkt aus eine CAD-Zeichnung generieren lässt.

Gemäß einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaufelfußabschnitt als vorgefertigtes Bauteil be ¬ reit gestellt, wobei der Schaufelblattabschnitt unter Verwen- dung eines EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußab ¬ schnitt aufgebaut wird, oder wobei der Schaufelblattabschnitt vorab unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise her ¬ gestellt und anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt stoff ¬ schlüssig verbunden, insbesondere verschweißt wird.

Handelt es sich bei dem Schaufelfußabschnitt um ein vorgefer ¬ tigtes Bauteil, so wird dieser bevorzugt gießtechnisch herge ¬ stellt. Alternativ kann aber auch ein noch intakter Schaufelfußabschnitt einer ausgemusterten Turbinenschaufel zum Ein- satz kommen.

Gemäß einer aus Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Schaufelblattabschnitt und der Schaufelfußabschnitt aus einem ersten Material hergestellt, und der Schaufelspitzenab ¬ schnitt ist aus einem zweitem Material hergestellt, das von dem ersten Material verschieden ist, wobei es sich bei dem zweiten Material insbesondere um ein Material handelt, das eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das erste Material aufweist. Diese Materialauswahl ist dahingehend von Vorteil, dass sie den tatsächlichen Beanspruchungen einer Turbinenschaufel gerecht wird. Während der Schaufelfußabschnitt und der Schaufelblattabschnitt während des bestimmungsgemäßen Einsatzes einer Turbinenschaufel aufgrund der dynamischen

Kräfte meist sehr hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ist dies bei dem Schaufelspitzenabschnitt weniger der Fall. Bei dem Schaufelspitzenabschnitt steht vielmehr ei ¬ ne hohe Oxidationsbeständigkeit im Vordergrund. So kann der Schaufelspitzenabschnitt beispielsweise aus IN738LC gefertigt werden .

Vorteilhaft sind der Schaufelfußabschnitt und der Schaufel ¬ blattabschnitt aus einer Superlegierung hergestellt, insbe- sondere aus einer Nickelbasis-Legierung. Superlegierungen und insbesondere Nickelbasis-Legierungen haben sich als Materialien insbesondere für Gasturbinenschaufeln in der Vergangenheit bewehrt. Gemäß einer aus Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schaufelspitzenabschnitt nach der Herstellung des Schaufelblattabschnittes als vorgefertigtes Bauteil stoffschlüssig mit dem Schaufelblatt verbunden oder unter Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens schichtweise am freien Ende des Schaufelblattabschnittes aufgebaut, insbeson ¬ dere unter Einsatz eines LMD-Verfahrens . Das LMD-Verfahren ist für die Fertigung des Schaufelspitzenabschnittes dahinge ¬ hend von Vorteil, dass unter Einsatz des LMD-Verfahrens das Material direkt auf dem Schaufelblattabschnitt aufgetragen werden kann, ohne das es der Ausbildung eines Pulverbettes bedarf . Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutlich, die schematisch eine Querschnittansicht einer Turbinenschaufel zeigt, die unter Einsatz eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde.

Die Turbinenschaufel 1 umfasst einen Schaufelfußabschnitt 2, einen sich an den Schaufelfußabschnitt 2 anschließenden

Schaufelblattabschnitt 3 und einen sich an den Schaufelblatt ¬ abschnitt 3 anschießenden Schaufelspitzenabschnitt 4, wobei der Schaufelfußabschnitt 2, der Schaufelblattabschnitt 3 und der Schaufelspitzenabschnitt 4 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Durch den Schaufelfußabschnitt 2 und den Schaufelblattabschnitt 3 erstreckt sich radial ein als Kühl ¬ kanal dienender Hohlraum 5. Der Hohlraum 5 ist vorliegend durch eine Trennwand 6 unterteilt, die sich ausgehend von dem Schaufelfußabschnitt 2 radial auswärts in Richtung des Schau ¬ felspitzenabschnittes 4 erstreckt, wodurch der Hohlraum 5 insgesamt im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Es sollte jedoch klar sein, dass die Form und die Position der Trennwand 6 ebenso wie die Trennwand 6 selbst optional sind. Auch können natürlich mehrere Trennwände 6 vorgesehen sein, die den Hohlraum 5 in anderer Weise unterteilen. An einer

stromabwärtigen Kante 7 des Schaufelblattabschnittes 3 sind

Kühlfluidauslassöffnungen 8 ausgebildet, die mit dem Hohlraum 5 kommunizieren. Bei der Turbinenschaufel 1 handelt es sich vorliegend um eine Laufschaufei einer Gasturbine. Grundsätz ¬ lich kann die Turbinenschaufel 1 aber auch in anderen Turbi- nen zum Einsatz kommen.

Zur Herstellung der Turbinenschaufel 1 werden in einem ersten Schritt der Schaufelfußabschnitt 2 und der Schaufelblattab ¬ schnitt 3 gemeinsam unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise aus einer Superlegierung hergestellt, vorliegend aus einer Nickelbasis-Superlegierung . Hierbei werden der Schaufelfußabschnitt 2 und daraufhin der Schaufelblattab ¬ schnitt 3 Schicht für Schicht aus einem Superlegierungsparti- kel aufweisenden Pulverbett generiert, indem Bereiche des Pulverbetts unter Verwendung eines Elektronenstrahls in be ¬ kannter Weise aufgeschmolzen und entsprechend verfestigt wer ¬ den. Dabei wird das Pulverbett auch in Bereichen, in denen keine Bauteilschicht generiert wird, angebacken, um auf diese Weise den eingangs bereits beschriebenen "Smoke-Effekt " zu verhindern. Nach der Fertigstellung des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schaufelblattabschnittes 3 werden die angeba ¬ ckenen Bereiche des Pulverbettes im Bereich des Hohlraums 5 mit geeigneten Werkzeugen gelöst und entfernt. Der Hohlraum 5 ist dabei sowohl vom unteren Ende des Schaufelfußabschnittes

2 als auch vom oberen Ende des Schaufelblattabschnittes 3 zu ¬ gänglich. Die Kühlfluidauslassöffnungen 8 können bereits während der additiven Fertigung des Schaufelblattabschnittes 3 hergestellt werden. Alternativ können Sie aber auch nachträglich eingebracht werden, beispielsweise mittels Bohren oder dergleichen .

Der Schaufelfußabschnitt 2 kann alternativ bereits als vorge- fertigtes Bauteil bereitgestellt werden. So kann der Schau ¬ felfußabschnitt 2 beispielsweise als Gussteil bereitgestellt werden. Ebenso ist es aber auch möglich, einen noch intakten Schaufelfußabschnitt einer ausgemusterten Turbinenschaufel zu verwenden. Wird für den Schaufelfußabschnitt 2 ein vorgefer- tigtes Bauteil eingesetzt, so kann der Schaufelblattabschnitt

3 unter Verwendung eines EMB-Verfahrens schichtweise auf dem Schaufelfußabschnitt 2 aufgebaut werden. Ebenso ist es aber auch möglich, den Schaufelblattabschnitt 3 vorab unter Ver ¬ wendung eines EMB-Verfahrens schichtweise herzustellen und anschließend mit dem Schaufelfußabschnitt 2 stoffschlüssig zu verbinden, insbesondere zu verschweißen.

Nach dem Entfernen des angebackenen Pulvermaterials aus dem Hohlraum 5 wird in einem weiteren Schritt unter Einsatz einer anderen Fertigungstechnologie der Schaufelspitzenabschnitt 4 gefertigt. Hierzu wird ein Material verwendet, das sich von dem Material des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schaufel ¬ blattabschnittes 3 unterscheidet. Bei dem Material des Schau- felspitzenabschnittes 4 handelt es sich insbesondere um ein solches Material, das eine bessere Oxidationsbeständigkeit als das Material des Schaufelfußabschnittes 2 und des Schau ¬ felblattabschnittes 3 aufweist. Insbesondere wird IN738LC als Material des Schaufelspitzenabschnittes 4 verwendet.

Der Schaufelspitzenabschnitt 4 wird vorliegend schichtweise unter Einsatz eines LMD-Verfahrens am freien Ende des Schau ¬ felblattabschnittes 3 aufgebaut. Es sollte jedoch klar sein, dass grundsätzlich auch ein alternatives additives Ferti ¬ gungsverfahren zum Einsatz kommen kann, solange es sich hierbei nicht um ein pulverbettbasiertes Verfahren handelt. Al ¬ ternativ ist es auch möglich, den Schaufelspitzenabschnitt 4 als vorgefertigtes Bauteil, beispielsweise in Form eines Gussteils, Stoffschlüssig mit dem Schaufelblatt 3 zu verbin ¬ den, insbesondere zu verschweißen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren bestehet darin, dass sich Turbinenschaufeln, deren Schaufelfuß- abschnitt und Schaufelblattabschnitte aus Werkstoffen mit ho ¬ hem Y x -Anteil bestehen, insbesondere aus Superlegierungen, in sehr kurzen Zeitintervallen einfach und preiswert herstellen lassen, was insbesondere für die Prototypenfertigung von Vorteil ist.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .