DE-102014116223-B4 - Verfahren zur Erzeugung und Gestaltung von Kühlkanälen und entsprechende Erzeugnisse

Abstract

Verfahren zur Modifikation der Gestalt eines Kanals (20, 31, 42) in einem metallischen Substrat (10, 33, 40), das den Schritt des Aufbringens wenigstens einer metallischen Beschichtung auf ausgewählte Abschnitte einer inneren Oberfläche des Kanals (20, 31, 42) aufweist, um so die Wärmeübertragungseigenschaften des Kanals (20, 31, 42) während eines Durchgangs eines Kühlmittelfluids durch diesen zu verändern; wobei die metallische Beschichtung auf die Abschnitte der inneren Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch ein Kaltspritzverfahren aufgebracht wird; und wobei wenigstens eine Schicht der metallischen Beschichtung auf ausgewählte Abschnitte der inneren Kanaloberfläche aufgebracht wird, um so Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche zu verbessern, und wobei wenigstens eine zweite Schicht einer oxidationsbeständigen Beschichtung anschließend gleichmäßig über die gesamte innere Kanaloberfläche aufgebracht wird, um dem Kanal (20, 31, 42) Oxidationsbeständigkeit zu verleihen.

Inventors

• Ronald Scott Bunker

Assignees

• GENERAL ELECTRIC TECHNOLOGY GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20141106

Priority Date

20131122

Claims (9)

1. Verfahren zur Modifikation der Gestalt eines Kanals (20, 31, 42) in einem metallischen Substrat (10, 33, 40), das den Schritt des Aufbringens wenigstens einer metallischen Beschichtung auf ausgewählte Abschnitte einer inneren Oberfläche des Kanals (20, 31, 42) aufweist, um so die Wärmeübertragungseigenschaften des Kanals (20, 31, 42) während eines Durchgangs eines Kühlmittelfluids durch diesen zu verändern; wobei die metallische Beschichtung auf die Abschnitte der inneren Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch ein Kaltspritzverfahren aufgebracht wird; und wobei wenigstens eine Schicht der metallischen Beschichtung auf ausgewählte Abschnitte der inneren Kanaloberfläche aufgebracht wird, um so Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche zu verbessern, und wobei wenigstens eine zweite Schicht einer oxidationsbeständigen Beschichtung anschließend gleichmäßig über die gesamte innere Kanaloberfläche aufgebracht wird, um dem Kanal (20, 31, 42) Oxidationsbeständigkeit zu verleihen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das thermische Spritzverfahren ein Flammspritzverfahren oder ein Plasmaspritzverfahren ist; wobei das Flammspritzverfahren vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren mit Sauerstoff als Oxidationsmittel HVOF und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen mit Luft als Oxidationsmittel HVAF gehören.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die oxidationsbeständige Beschichtung eine Metallaluminidzusammensetzung oder eine MCrAlX-Zusammensetzung aufweist, worin „M“ Eisen, Nickel, Kobalt oder Kombinationen von diesen sein kann und X Yttrium, Tantal, Silizium, Hafnium, Titan, Zirkonium, Bor, Kohlenstoff oder Kombinationen von diesen ist.
4. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal (20, 31, 42) ein Mikrokanal (20, 31, 42) ist, der einen Abschnitt eines Kühlkreislaufs aufweist; und wobei das metallische Substrat (10, 33, 40) eine Hochtemperaturkomponente ist, die den Kühlkreislauf enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , wobei der Mikrokanal (20, 31, 42) an einer Austrittsstelle auf einer Oberfläche des Substrats (10, 33, 40) endet; und/oder wobei der Mikrokanal (20, 31, 42) hinterschnitten gestaltet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 , wobei der Kanal (20, 31, 42) ein hinterschnitten gestalteter Mikrokanal (20, 31, 42) ist, der eine Bodenfläche (22, 36, 46) und Seitenwände (24, 34, 44) enthält, die im Wesentlichen senkrecht oder winkelig relativ zu der Bodenfläche (22, 36, 46) verlaufen; wobei die Beschichtung auf einen Abschnitt der Bodenfläche (22, 36, 46) des hinterschnitten gestalteten Kanals (20, 31, 42) entsprechend einem Muster aufgebracht wird, das die Menge des Kühlmittelfluids, das mit den Seitenwänden (24, 34, 44) in Kontakt gelangt, vergrößert, während es die Menge des Kühlmittelfluids, das mit der Bodenfläche (22, 36, 46) in Kontakt gelangt, verringert, um so die Wärmeübertragung von den Seitenwänden (24, 34, 44) weg zu verstärken.
7. Verfahren nach Anspruch 5 , wobei die metallische Beschichtung auf Abschnitte der inneren Oberfläche des Kanals (20, 31, 42) in einem ungleichmäßigen Muster aufgebracht wird, das entsprechend optimierten Wärmeübertragungseigenschaften für den Mikrokanal während des Durchgangs des Kühlmittelfluids ausgewählt wird.
8. Gegenstand in Form eines Hochtemperatursubstrats (10, 33, 40), der wenigstens einen Mikrokanal (20, 31, 42) aufweist, der innerhalb eines inneren Bereichs des Hochtemperatursubstrats (10, 33, 40) als Teil eines Kühlkreislaufs angeordnet ist, wobei der Mikrokanal (20, 31, 42) eine innere Oberfläche enthält, auf der ein metallisches Beschichtungsmaterial aufgebracht ist, wobei das Beschichtungsmaterial in einer Weise gestaltet ist, die sowohl die Wärmeübertragungseigenschaften durch Abschnitte des Mikrokanals (20, 31, 42) hindurch verbessert als auch ausgewählten Bereichen der inneren Oberfläche des Mikrokanals (20, 31, 42) Oxidationsbeständigkeit verleiht; wobei die metallische Beschichtung auf die Abschnitte der inneren Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch ein Kaltspritzverfahren aufgebracht wird; und wobei wenigstens eine Schicht der metallischen Beschichtung auf ausgewählte Abschnitte der inneren Kanaloberfläche aufgebracht wird, um so Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche zu verbessern, und wobei wenigstens eine zweite Schicht einer oxidationsbeständigen Beschichtung anschließend gleichmäßig über die gesamte innere Kanaloberfläche aufgebracht wird, um dem Mikrokanal (20, 31, 42) Oxidationsbeständigkeit zu verleihen.
9. Gegenstand nach Anspruch 8 in Form einer Gasturbinenkomponente.

Description

HINTERGRUND Der allgemeine Gegenstand dieser Erfindung betrifft Kühlkanäle für Gegenstände, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, wie bspw. Gasturbinen. Einige spezielle Ausführungsformen betreffen Verfahren zur Herstellung und Gestaltung der Kühlkanäle. Eine Gasturbine enthält einen Verdichter, in dem die Gasturbinenluft unter Druck gesetzt wird. Die Gasturbine schließt auch einen Brenner ein, in dem die unter Druck gesetzte Luft mit Brennstoff vermischt wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. In einer typischen Konstruktion (z.B. für Flugzeugtriebwerke oder stationäre Energiesysteme) wird Energie aus den Gasen in einer Hochdruckturbine (HPT), die den Verdichter antreibt, und in einer Niederdruckturbine (LPT) entzogen. Die Niederdruckturbine treibt ein Gebläse in einer Turbofan-Flugzeugtriebwerksanwendung an oder treibt eine externe Welle für Schiffs- und industrielle Anwendungen an. Die Notwendigkeit, Systeme in Gasturbinen zu kühlen, ist entscheidend, da die Gasturbinen üblicherweise in extrem heißen Umgebungen arbeiten. Die Gasturbinenkomponenten sind z.B. häufig heißen Gasen ausgesetzt, die Temperaturen bis zu etwa 2093°C (3800°F) für Flugzeuganwendungen und bis zu etwa 1482°C (2700°F) für stationäre Energieerzeugungsanwendungen haben. Um die den heißen Gasen ausgesetzten Komponenten zu kühlen, weisen diese „Heißgaspfad“-Komponenten typischerweise sowohl interne Konvektions- als auch externe Filmkühlung auf. Viele Aspekte von Kühlkreisläufen und Kühlmerkmalen in verschiedenen Heißgaspfadkomponenten sind in der Technik beschrieben worden. So enthält die Brennkammer z.B. eine radial äußere und innere Auskleidung, die eine Kühlung während des Betriebes erfordern. Turbinenleitapparate enthalten hohle Leitschaufeln, die zwischen einem äußeren und einem inneren Band gehaltert sind, die auch eine Kühlung erfordern. Turbinenlaufschaufeln sind hohl und enthalten typischerweise Kühlkreisläufe in ihnen, wobei die Schaufeln von Turbinenmantelringen umgeben sind, die ebenfalls eine Kühlung erfordern. Die heißen Verbrennungsgase werden durch einen Auslass ausgegeben, der ebenfalls ausgekleidet und geeignet gekühlt sein kann. In all diesen beispielhaften Komponenten von Gasturbinen werden typischerweise dünne Metallwandungen aus hochfesten Superlegierungsmetallen zur verbesserten Haltbarkeit eingesetzt, während die Notwendigkeit ihrer Kühlung minimiert ist. Verschiedene Kühlkreisläufe und Kühlmerkmale sind speziell für diese individuellen Komponenten in ihren entsprechenden Umgebungen in der Gasturbine ausgeführt. So kann z.B. eine Reihe interner Kühldurchgänge oder serpentinenförmiger Kanäle in einer Heißgaspfadkomponente ausgebildet sein. Ein Kühlfluid kann aus einer Sammelkammer den Serpentinen zugeführt werden, und das Kühlfluid kann durch die Durchgänge strömen und dabei das Substrat und Beschichtungen der Heißgaspfadkomponenten kühlen. Während diese Art von Kühlkonstruktion in einigen Fällen wirksam sein kann, kann ihre Benutzung in anderen Situationen zu verhältnismäßig geringen Wärmeübertragungsraten und zu ungleichmäßigen Temperaturprofilen der Komponenten führen. Eine Mikrokanal-Kühlung (wie das Merkmal im Folgenden erläutert wird) hat das Potenzial, durch Anordnen der Kühlung so dicht wie möglich bei der heißen Zone die Kühlanforderungen deutlich zu verringern, so dass die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite und der kalten Seite für eine gegebene Wärmeübertragungsrate verringert wird. Die derzeitigen Techniken zum Erzeugen von Mikrokanälen erfordern jedoch typischerweise den Einsatz eines Opferfüllstoffes, um zu verhindern, dass sich die Beschichtung innerhalb der Mikrokanäle (die üblicherweise durch maschinelle Bearbeitung gebildet werden müssen) ablagert. Der Opferfüllstoff trägt auch die Beschichtung während des Auftrags. Der spezielle Pfad eines Fluids durch einen Kühlkreislauf ist entscheidend zur Sicherstellung, dass das Kühlmittel effektiv Wärme von Regionen weg führt, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind, die während eines Betriebs einer bestimmten Turbine oder sonstigen Vorrichtung erfahren werden. Als ein Beispiel kann ein Mikrokanal als ein dreidimensionaler Bereich betrachtet werden, der verschiedene Konfigurationen aufweist und beide Kanalseitenwände zusammen mit irgendeiner Art einer Bodenfläche enthält. Jede der Oberflächen des Mikrokanals kann während eines Maschinenbetriebs einem anderen Temperaturprofil ausgesetzt sein, was zum Teil von der Krümmung, Rauigkeit und der gesamten Konstruktion des Kühlkanals abhängt. Ein Zuführen von mehr Kühlmittel als erforderlich zu einem Bereich mit einem niedrigen Temperaturprofil würde ineffizient sein und kann anderen Hochtemperaturoberflächen ausreichend Kühlmittel vorenthalten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Menge an Kühlluft, die zur Verfügung steht, begrenzt ist. In dem Fall einer Turbine muss z.B. Kühlluft häufig aus dem Gasturbinenverdichter abgezapft werden, und der Gasturbinenwirkungsgrad kann leid