Dreistufiger Prozess zur Kühlluftbohrerzeugung mittels Nano- sekunden- und Millisekundenlaser und Bauteil

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Durchgangslochs durch ein keramisches Schichtsystem und Bauteil.

Eine etablierte Prozesskette für das Bohren von Kühlluftboh ^¬ rungen in Heißgasbauteile wie Turbinenschaufeln ist das La- serbohren mit gepulsten Lasersystemen im Millisekunden (ms) - Zeitbereich. Diese Pulsdauern werden benötigt, um genügend Energie im Puls zu haben, um auch tief bohren zu können. Dabei wird durch das gesamte Beschichtungssystem (Keramik/Metall) der Schaufel gebohrt. Anschließend werden mit ei- nem Kurzpulslaser im Nanosekunden (ns ) -Zeitbereich Formbohrungen (Diffusor) auf ausgewählte zylindrische Bohrungen angebracht. Auch dort wird im beschichteten Zustand durch alle Beschichtungen die Shape Geometrie durch Laserablation eingebracht .

Die Prozessreihenfolge ms- und danach ns-Bearbeitung ist zwingend vorgeschrieben, da im umgekehrten Fall Abbrand-Pro- dukte und Schmelzrückstände den zuvor erzeugten Shape verun ^¬ reinigen würden. Dadurch wäre dessen Ausströmverhalten nicht mehr gewährleitstet .

Nun hat sich bei detaillierten Untersuchungen gezeigt, dass beim Bohren mit dem ms-Laser lange Risse am Interface der keramischen Beschichtung (TBC) zur MCrAlY-Schicht entstehen können. Diese Risse könnten ein Auslöser für frühzeitiges Versagen der TBC im Betrieb sein.

Die EP 2 853 338 AI, die EP 1 869 290 Bl sowie EP 1 973 688 Bl offenbaren Verfahren zur Herstellung eines Durchgangslochs durch ein keramisches Schichtsystem mit dem ein Millisekundenlaser verwendet wird, um Keramik zu entfernen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, o.g. Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil gemäß Anspruch 10, 11. In den Unteransprüchen sind weitere Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteil zu erzielen.

Vorteilhafte Prozesskette:

1. Komplettes Beschichten des Bauteils zur Herstellung eines keramischen Schichtsystems

2. Abtragen eines Teils einer keramischen Schicht (TBC) im Bereich des zukünftigen Lochs mit ns-Laser,

3. Bohren durch die zuvor vorbereitete (unter 2.) Stelle mit ms-Laser,

4. Einbringen der Shapes (Diffusor) mit ns-Laser.

Alle drei beschriebenen Bohrprozesse (2. - 4.) werden vor- zugsweise in einer Aufspannung durchgeführt. Die Position des Lochs ist durch den 2. Prozessschritt eindeutig definiert und wird in Prozessschritt 3. und 4. wieder verwendet.

Es wird also im Bereich des späteren Lochs die TBC mit einer Toleranz von 0,1mm - 0,3mm umlaufend entfernt. Die verwende ^¬ ten ns-Pulse sind so kurz, dass keine Schädigung des Inter ^¬ face zwischen TBC und Substrat oder unterliegenden Schichten auftritt . Die Qualität der Löcher ist besser. Es zeigen:

Figur 1 ein keramisches Schichtsystem,

Figur 2, 6 eine Geometrie eines herzustellenden Durchgangslochs , Figur 3-5, 7-9 Herstellungsschritte und das erfindungsgemä ^¬ ße Verfahren,

Figur 10 eine Turbinenschaufel.

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

Figur 1 zeigt ein keramisches Schichtsystem oder Bauteil 1, , 1 ^{λ λ} (Fig. 6, 9) .

Das keramische Schichtsystem 1, 1 ^λ , 1 ^{λ λ} weist auf zumindest ein insbesondere metallisches Substrat 4, insbesondere aus einer Nickelbasissuperlegierung, auf der ein oder mehrere Schichten, insbesondere eine äußere keramische Schicht 7 an ^¬ geordnet sind, die insbesondere die äußerste keramische

Schicht 7 darstellt.

Die unteren Schichten können eine metallische Haftvermittlerschicht, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY und/oder eine einlagige keramische Schicht einer zweilagigen keramischen Wärmedämmschicht (TBC) sein.

Die äußere oder äußerste keramische Wärmedämmschicht 7, 23 (Fig. 9) kann Zirkonoxid und/oder Pyrochlor aufweisen.

Die keramischen Schichten 7, 23 stellen insbesondere die äußersten Schichten dieses keramischen Schichtsystems 1, 1 1 ^{λ λ} dar .

In Figur 2 ist im Querschnitt ein Durchgangsloch 13 gezeigt, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wer ^¬ den soll.

Das Durchgangsloch 13, 13 ^λ (Fig. 6) weist im Inneren einen, insbesondere symmetrischen oder zylindrischen inneren Anteil 10, 10 ^λ (Fig. 6) (metering hole) auf, der sich größtenteils im Substrat 4 befindet.

Zumindest in der keramischen Schicht 7, 23 ist ein Diffusor 16, 16 ^λ (die gestrichelte Linie deutet nur den Anteil der Vergrößerung des inneren Anteils 10 für den Diffusor an) vorhanden, der von der Geometrie bzw. Querschnitt des „metering hole" 10 deutlich abweicht, indem er eine Verbreiterung darstellt .

Der innere Anteil 10, 10 10 ^{λ λ} kann auch in einem Winkel 33 zur Oberfläche 17 verlaufen (Fig. 6, 9) . Die Symmetrie be ^¬ zieht sich immer auf die Längsausrichtung des inneren Anteils 10, 10\ 10 ^{λ λ} .

Erfindungsgemäß wird zuerst mittels eines Nanosekundenlasers mittels Pulsen im Nanosekundenbereich bis 200ns ein Anteil 20, 20 ^λ des Diffusors 16, 16 ^λ in der keramischen Schicht 7, 23 bis zum Substrat 4 hin entfernt (Fig. 3) .

Dieser Anteil 20, 20 ^λ entspricht in seiner Form nicht der Endgeometrie des Diffusors 16, sondern im Querschnitt der des inneren Anteils 10, 10 ^λ gemäß Figur 2, 6.

Dann wird mittels eines Millisekundenlasers der untere An ^¬ teil, d.h. das „metering hole" 10, 10 10 ^{λ λ} gemäß Figur 2 hergestellt (Fig. 4). In einem letzten Schritt (Fig. 5) wird wiederum mittels eines Nanosekundenlasers mittels Pulsen im Nanosekundenbereich, insbesondere mit bis 200 ns die Endgeometrie des Diffusors 16 in der keramischen Schicht 7 hergestellt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier bewusst ein Na- nosekundenlaser verwendet, um den Diffusor 16, 16 ^λ in seiner endkonturnahen Form 20, Fig. , 20 20 ^{λ λ} (Fig. 7, 9)

erzustellen. Im Stand der Technik wurde dazu immer ein

Millisekundenlaser verwendet. Folgende Parameter für den Nanosekundenlaser sind vorteilhaft :

die Pulsdauer beträgt 50ns - 100ns,

und/oder

die Leistung beträgt 50kW - 150kW,

und/oder

die Energie beträgt 8mJ - 20mJ,

und/oder

die Frequenz beträgt zwischen 10kHz - 40kHz.

Besonders vorteilhaft für den Nanosekundenlaser sind folgende Parameter :

die Pulsdauer beträgt 100ns,

und/oder

die Leistung beträgt 100kW,

und/oder

die Energie beträgt lOmJ,

und/oder

die Frequenz beträgt 10kHz.

Die Pulspause beträgt vorzugsweise beim Nanosekundenlaser 100ys .

Folgende Parameter sind vorteilhaft für den

Millisekundenlaser :

die Pulsdauer beträgt 0,5ms - 1,5ms,

und/oder

die Leistung beträgt 8kW - 30kW,

und/oder

die Energie beträgt 4J - 50J,

und/oder

die Frequenz zwischen beträgt 4kHz - 25kHz.

Besonders vorteilhaft für den Millisekundenlaser ist:

die Pulsdauer beträgt 0,6ms, und/oder

die Leistung beträgt 15kW,

und/oder

die Energie beträgt 9J,

und/oder

die Frequenz beträgt 10Hz.

Die Pulspause beträgt vorzugsweise beim Millisekundenlaser 0, ls .

Die Figur 6 zeigt in analoger Weise zu Figur 2 bzw. 5 ein Durchgangsloch 13 bei dem der innere zylindrische Anteil 10 ^λ unter einem Winkel 33 zur äußeren Oberfläche 8 ^λ oder in- neren Oberfläche 8 ^{λ λ} des Schichtsystems 1 ^λ verläuft.

Erfindungsgemäß wird auch in diesem Fall die gewünschte End ^¬ geometrie gemäß Figur 6 zu erreichen. Zuerst wird ein Anteil 20 ^λ in der äußeren Schicht 7, zumin ^¬ dest in der keramischen Schicht erzielt, der unter einem Winkel 33 zur Oberfläche 8 ^λ verläuft.

Im zweiten Schritt wird ähnlich wie zu Figur 4 beschrieben der innere zylindrische Anteil 10 ^λ erzeugt (Figur 8) .

Im letzten Schritt wird der Diffusor 16 ^λ erzeugt.

In Figur 9 ist ein weiteres Schichtsystem 1 ^{λ λ} (Bauteil) aufgelistet, bei dem die keramische Schicht 7 näher dargestellt ist mit einer metallischen Schicht 21 auf dem Substrat 4 und einer keramischen Schicht (TBC 23) als äußerste Schicht auf der metallischen Haftvermittlerschicht 21.

In Figur 9 ist zumindest in dem keramischen Anteil 23 der Be- Schichtung 7 der innere Durchmesser 29 des Anteils 20 ^{λ λ} ins ^¬ besondere mindestens 10%, ganz insbesondere mindestens 20% größer als der innere Durchmesser 26 des inneren Anteils 10 ^{λ λ} in der metallischen Schicht 21 oder des inneren Anteils 10 ^{λ λ} . Das Bauteil 1 ^{λ λ} wird in eine Überströmrichtung 30 überströmt, wobei das Durchgangsloch 13 ^λ in Überströmrichtung 30 gekippt verläuft. Das Aufmaß 21 ist in Strömungsrichtung 30 gesehen am Anfang ausgebildet und nicht in der Verbreiterung des Dif- fusors 16 ^λ .

Damit ist quasi ein Überhang 24 der TBC 23 über der metalli ^¬ schen Haftvermittlerschicht 21 gegeben. Der innere Anteil 10 ^{λ λ} erstreckt sich dann durch metallische Schicht 21 und

Substrat 4. Ausgehend von Figur 9 wird dann ebenso noch wei ^¬ terhin der Diffusoranteil abgetragen, wie es in Figur 6 dargestellt ist.

Die Figur 10 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Lauf ^¬ schaufel 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 auf- einander 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 Schaufel ^¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .

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 ausge ^¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau ^¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab ^¬ strömkante 412 auf. Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas ^¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

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 ho ^¬ hen 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 Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be ^¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil ^¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen. 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 Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen 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 AI bekannt.

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) , Ni ^¬ ckel (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 AI.

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dich ^¬ te .

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- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr0 ₂ , Y2Ü3-Zr02, 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. atmosphäri- sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme ^¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör ^¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht .

Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch

Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie ^¬ derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130. 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.