DE69815024T2

DE69815024T2 - Verfahren zum Beschichten eines Bauelementes

Info

Publication number: DE69815024T2
Application number: DE69815024T
Authority: DE
Inventors: Graham Frederick Camm
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: EP0916445B1; EP0916445A3; GB9723762D0; CA2253070A1; EP0916445A2; DE69815024D1; US6004620A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Beschichten eines Bauelementes, das wenigstens einen durch seine Wände durchgehenden Kanal aufweist, wie dies im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist in der JP-A-8-108400 beschrieben.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Entfernen überschüssigen Überzugsmaterials, das sich innerhalb der Kühllöcher beschichteter Gasturbinen-Bauelemente befindet.
Gasturbinentriebwerke arbeiten unter extrem hohen Temperaturen, um Leistung und Wirkungsgrad zu erhöhen. Ein beschränkender Faktor bei den meisten Konstruktionen von Gasturbinentriebwerken besteht jedoch in der maximalen Temperatur, die verschiedene Bauelemente des Triebwerks tolerieren können. Ein spezieller Bauelementenbereich, der einer solchen Beschränkung unterworfen ist, stellt die Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks dar.
Ein Verfahren zur Erhöhung der maximal zulässigen Temperatur und/oder zur Erniedrigung der Temperatur des metallischen Bauelementes besteht darin, Kühllöcher in den Wänden des Bauelementes anzubringen. Diese Löcher ermöglichen eine Kühlluftströmung durch die Wände hindurch und entlang dieser Wände des Bauelementes, das diesen hohen Gastemperaturen ausgesetzt ist. Da die Luft entlang der Oberfläche der Wände strömt, bildet sie eine Kühlschicht. Diese Kühlschicht vermindert die Temperatur der Wandoberfläche des Bauelementes, und dadurch kann das Bauelement höheren Gastemperaturen widerstehen als dies sonst möglich wäre.
Ein weiteres Verfahren, welches die Möglichkeit schafft, höhere Gastemperaturen zu benutzen, besteht darin, einen thermischen Schutzüberzug auf die Wände jenes Bauteils aufzutragen, der den heißen Gasen ausgesetzt ist. Im Falle von Brennkammern sind dies insbesondere die inneren Wände des Flammrohres, da die äußeren Wände der vom Kompressor gelieferten Kühlluft ausgesetzt sind. Derartige Überzüge bestehen beispielsweise aus einem MCrAIY-Material, das einen Schutz gegen Hitze und Korrosion bietet. MCrAIY bezieht sich auf bekannte Überzugssysteme, bei denen M Nickel, Kobalt, Eisen oder eine Mischung hiervon bezeichnet, wobei Cr Chrom bezeichnet; Al Aluminium bezeichnet; und Y Yttrium bezeichnet. Eine weitere Keramikschicht wird oft auf die MCrAIY-Schicht aufgetragen, um einen verbesserten thermischen Schutz zu erreichen. Bei einer derartigen Anordnung wirkt die MCrAIY-Schicht als Verbundüberzug für die keramische Überzugsschicht. Ein Beispiel eines solchen keramischen Überzugsmaterials ist Yttriumoxid, stabilisiert mit Zirkonoxid, was auf die Oberseite der MCrAIY-Schicht aufgetragen wird.
Die MCrAIY-Überzüge und die keramischen Schutzüberzüge werden im typischen Fall durch physikalische Dampfablagerung (PVD), chemische Dampfablagerung (CVD) oder Plasmaspritzen aufgetragen. Beispiele derartiger Schutzüberzüge und von Verfahren zur Aufbringung dieser Überzüge sind bekannt und beispielsweise beschrieben in: US 4321311, US 5514482, US 4248940 und zahlreichen anderen Schriften.
Kühllöcher und Schutzüberzüge können gemeinsam benutzt werden, und sie werden auch gemeinsam benutzt, damit ein Bauteil unter hohen Temperaturen arbeiten kann. Es gibt zwei grundsätzliche Verfahren zur Erzeugung derartiger Bauteile, die mit Kühllöchern und einem Schutzüberzug ausgestattet sind. Das erste Verfahren besteht darin, den Überzug auf das Bauteil aufzutragen und dann die Löcher durch den mit Schutzüberzug versehenen Bauteil zu bohren. Beispiele dieses Verfahrens finden sich in der europäischen Patentanmeldung Nr. 97305454, wobei ein Laserbohren benutzt wird, um den thermischen Schutzüberzug und das Metall des Bauteils zu durchdringen. Ein Problem besteht bei diesem Verfahren darin, daß die thermische Schutzschicht gegenüber der Erhitzung widerstandsfähig ist, die durch den Laser beim Bohren durch das Materialerzeugt wird. Infolgedessen erfordert das Bohren des Schutzüberzuges eine hohe Laserleistung und einen langen Zeitaufwand, und es erfolgt eine beträchtliche Erhitzung des umgebenden Bereichs, was sehr unerwünscht sein kann. Probleme ergeben sich außerdem, wenn eine mechanische Bohrtechnik benutzt wird, da die Wärmeschutzüberzüge allgemein spröde sind. Ein mechanisches Bohren kann zu Rissen und zu einer Beschädigung des Überzugs im Bereich um die Löcher herum führen, und es kann der Überzug von dem Bauteil entweder während der Bearbeitung oder vorzeitig im Betrieb abfallen.
Bei dem zweiten Verfahren werden die Löcher in dem Bauteil eingebohrt, und dann wird der Überzug auf den gebohrten Bauteil aufgetragen. Dieses Verfahren hat keinerlei Probleme, die mit dem Bohren und Bearbeiten durch den Schutzüberzug verknüpft sind, wie dies oben beschrieben wurde. Wenn jedoch der Schutzüberzug aufgetragen wird, nachdem die Löcher gebohrt sind, dann besteht die Gefahr, daß einige dler Löcher oder alle wenigstens teilweise blockiert werden. Dadurch wird die Kühlluftströmung durch die Löcher behindert, und dies kann zu einer unzureichenden Kühlung des Bauteils führen, was im Betrieb zu heißen Stellen und einer Überhitzung und möglicherweise zu einem Ausfall des Bauteils führen kann. Außerdem ist die Blockierung der Kühlluftlöcher nicht vorhersehbar, und demgemäß ist die Ausbildung der Löcher derart, daß eine gewisse Blockierung möglich wird, problematisch und, selbst wenn eine solche Konstruktion möglich ist, wird der Wirkungsgrad des Triebwerks beeinträchtigt.
Infolgedessen muß das Überzugsmaterial, das die Kühllöcher blockiert, entfernt werden. Das Problem der Kühlluftblockierung und ein Verfahren zur Entfernung des Überzuges von einem Kühlluftloch ist in der EP 0761386 beschrieben. Gemäß diesem Patent wird eine ein Schleifmittel bildende Aufschlämmung unter Druck auf den Überzug auf dem Bauteil gerichtet. Diese Aufschlämmung strömt durch die Kühlluftlöcher und entfernt das Überzugsmaterial, das die Löcher blockiert. Eine ähnliche Technik, die einen Hochdruckfluidstrahl benutzt, ist in der JP 8108400 beschrieben.
Ein Problem, welches mit diesen Verfahren zur Freilegung der Löcher verknüpft ist, besteht darin, daß der Hochdruckfluidstrahl und die schleifende Aufschlämmung, die das Überzugsmaterial aus den Löchern entfernt, unerwünschterweise auch den übrigen Überzug auf dem Bauteil beschädigen kann. Insbesondere wird oft das Überzugsmaterial im Bereich um das Kühlluftloch herum beschädigt. Diese Beschädigung des Überzuges kann die Dicke des Überzuges vermindern und/oder die Haftung am Bauteil vermindern, was zu einem Abfall des Überzugs führen kann.
Weitere Probleme bestehen darin, daß das Hochdruckfluid und die Schleifaufschlämmung genau auf die speziellen Kühlluftlöcher gerichtet werden müssen. Dies macht es erforderlich, daß der Hochdruckfluidstrahl oder die Schleifaufschlämmung genau gesteuert und gerichtet werden. Dies ist jedoch schwierig bei der Produktion zu verwirklichen und die Maschinen, die in der Lage sind, eine derartige genaue Steuerung vorzunehmen, sind sehr kostspielig. Eine andere Möglichkeit, um die Schleifaufschlämmung oder den Fluidstrahl genau auf ein jeweiliges Loch zu richten, besteht darin, eine Schutzmaskierung oder ein geeignetes Werkzeug vorzusehen, wodurch einige der Löcher und möglicherweise der Umgebungsbereich des Überzuges maskiert werden. Die Maske schützt die Bereiche des Bauteils gegenüber dem Strahl oder der Schleifaufschlämmung und es wird erreicht, daß das Hochdruckfluid oder die Schleifaufschlämmung genau in die Löcher gerichtet werden. Dann wird die Maske entfernt und auf einen anderen Bereich der Kühlluftlöcher aufgelegt, um nacheinander alle Löcher des Bauteils freizulegen. Dieser Prozeß ist jedoch langwierig und in der Produktion nicht durchführbar. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß bei Benutzung einer Maskierung diese Maskierung nicht vollständig entfernt wird und seinerseits die Kühlluftlöcher blockieren kann. Eine Maskierung oder das Verfahren zur Entfernung der Maskierung kann außerdem zu einer Beschädigung des Überzugs führen.
Es ist daher erwünscht, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mit dem das Material aus den Löchern innerhalb eines Bauteils entfernt werden kann, wobei die oben erwähnten Probleme angesprochen werden und/oder derartige Verfahren allgemein verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, welches wenigstens einen durchgehenden Kanal besitzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: es wird ein Überzug auf einem Bereich einer ersten Oberfläche des Bauteils benachbart zu einem Ende des wenigstens einen Kanals aufgetragen und danach wird ein Fluidstrahl durch das andere Ende des wenigstens einen Kanals geschickt, um wenigstens einen Teil des Überzugsmaterials zu entfernen, welches innerhalb des Kanals befindlich ist oder den Kanal verstopft.
Bei diesem Verfahren wird der Bauteil selbst als Maske benutzt, um einen Hochdruckfluidstrahl durch ein Kühlluftloch zu richten, wobei das Material, welches das Loch blockiert oder verstopft, abgeschliffen und entfernt wird. Dies hat den Vorteil, daß der Strahl nicht genau auf ein spezielles Loch gerichtet werden muß, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, eine weniger genaue, billigere und einfachere Maschine zu benutzen. Außerdem wird der Rest des Überzugs, der das Loch nicht blockiert, durch den Bauteil selbst geschützt. Es wird daher die Möglichkeit einer Beschädigung des Überzuges vermindert. Die Benutzung des Überzugs selbst als Maskierung hat auch zur Folge, daß das Verfahren einfach und relativ schnell durchzuführen ist.
Vorzugsweise ist der Fluidstrahl ein Wasserstrahl.
Der wenigstens eine Kanal kann derart ausgebildet sein, daß er im Betrieb eine Kühlströmung für den Bauteil bildet. Der Bauteil kann aus einem Metall bestehen und der Überzug kann ein Keramiküberzug sein.
Vorzugsweise ist der Bauteil ein Flammrohr einer Brennkammer. Stattdessen kann der Bauteil auch eine Turbinen-Laufschaufel sein.
Vorzugsweise wird der Strahl durch einen ersten Abschnitt des wenigstens einen Kanals benachbart zu einer zweiten Oberfläche des Bauteils geführt, bevor der Strahl auf das Überzugsmaterial innerhalb des Kanals auftrifft.
Außerdem kann der Bauteil mehrere Kanäle aufweisen, und das Verfahren besteht darin, den Strahl durch einen ersten Kanäl zu schicken und dann den Strahl über die zweite Oberfläche des Bauteils nach dem nächsten Kanal zu leiten, wo der Strahl durch den nächsten Kanal hindurchströmt:
Vorzugsweise wird der Strahl mit einer konstanten Rate über einen Bereich der ersten Oberfläche des Bauteils geführt, in welchem die Kanäle angeordnet sind. Dabei wird das gesamte Überzugsmaterial innerhalb des Kanals aus dem ersten Kanal entfernt, bevor der Strahl nach dem nächsten Kanal überführt wird.
Vorzugsweise wird der Bauteil relativ zu dem Fluidstrahl derart gedreht, daß der Fluidstrahl intermittierend durch den wenigstens einen Kanal gerichtet wird, während der Bauteil gedreht wird.
Der Strahl kann wiederholt durch sämtliche Kanäle gerichtet werden, bis die Kanäle im wesentlichen frei von Überzugsmaterial sind, das die Kanäle verstopft oder blockiert.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines ringförmigen Brennkammerabschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
Fig. 2 ist eine Ansicht eines Fluidstrahles, der einen. Teil einer Brennkammer-Flammrohrwandung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet;
die Fig. 3a, 3b und 3c sind schematische Ansichten eines Abschnitts einer Brennkammer-Flammrohrwandung mit Kühlluftloch bei verschiedenen Stufen während der Herstellung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung von Löchern in einem Brennkammer-Flammrohr gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Brennkammerabschnitt 20 eines Gasturbinentriebwerks dargestellt. Innere und äußere ringförmige Gehäusewände 2 bzw. 4 definieren einen Ringkanal 11. Innerhalb dieses Ringkanals 11 ist ein ringförmiges Flammrohr 6 angeordnet. Komprimierte Luft von einem nicht dargestellten Kompressor des Gasturbinentriebwerks strömt, wie durch den Pfeil A angegeben, in diesen ringförmigen Kanal 11 über einen Einlaß 14 ein. Ein Teil dieser Luft strömt, wie durch den Pfeil G dargestellt, über den stromaufwärtigen ringförmigen Flammrohreinlaß 8 in das Innere 7 des Flammrohres 6 ein. Der Rest der Luft strömt um die Außenseite 9 des Flammrohres 6, wie durch die Pfeile H angegeben. Die in das Flammrohr 6 eintretende Luft wird mit Brennstoff vermischt, der über eine Anzahl von Brennstoffdüsen 18 in das Flammrohr 6 eingeleitet wird. Das sich ergebende Brennstoff/Luftgemisch im Inneren 7 des Flammrohres 6 wird dann verbrannt, um einen Hochtemperatur-Gasstrom zu erzeugen. Diese Hochtemperatur-Gasstrom fließt längs des Flammrohres 6, wie durch den Pfeil B angegeben, durch einen Ringauslaß 10 und über eine Reihe von Auslaß- Leitschaufeln 12 am stromabwärtigen Ende des Flammrohres 6 und der Brennkammer 20 in den Turbinenteil und wird dann vom Gasturbinentriebwerk ausgestoßen.
Die Wände 44 des ringförmigen Flammrohres 6 sind mit einer Anzahl von Kühlluftlöchern 16 perforiert. Die Kühlluftlöcher 16 wirken als Kanäle, die durch die Wände 44 des Flammrohres 6 verlaufen. Komprimierte Kühlluft, die längs des Flammrohres 6 abfließt, strömt durch diese Öffnungen 16 in der Innere 7 des Flammrohres 6 und längs der Wände 44 des Flammrohres 6. Diese Kühlluftströmung durch die Wände 44 des Flammrohres 6 kühlt die Wände 44 des Flammrohres 6. Die Luftströmung entlang der Innenseite der Wände des Flammrohres 6 erzeugt eine Schicht mit relativ kühler Luft benachbart zu diesen Wänden, wodurch eine Wärmeschutzbarriere zwischen der Wand 44 des Flammrohres 6 und den heißen Verbrennungsgasen innerhalb 7 des Flammrohres 6 geschaffen wird. Ein thermischer Schutzüberzug 28 aus einer Schicht aus Keramikmaterial ist auf der inneren Wänden des Flammrohres 6 vorgesehen, wodurch auch die Wände 44 des Flammrohres 6 gegen die heißen Verbrennungsgase geschützt werden.
Das Flammrohr 6 kann außerdem eine Anzahl weiterer größerer Öffnungen 26 aufweisen, die innerhalb der Wände 44 angeordnet sind, um zusätzlich komprimierte Luft in das Innere 7 des Flammrohres 6 zu leiten. Diese zusätzliche Luft wird eingeleitet, um weiter und vollständiger die Verbrennung im Inneren 7 des Flammrohres 6 zu tragen.
Das Flammrohr 6 besteht aus Metallblech und allgemein aus einer Hochtemperatur- Legierung, beispielsweise einer Nickel-Kobalt-Legierung oder einer Eisen- Superlegierung, die in die entsprechende Gestalt der Flammrohrwände 44 gebracht wird. Die Dicke der Metallwände beträgt im typischen Fall zwischen 1 mm bis 1,6 mm. Stattdessen kann das metallische Flammrohr 6 auch aus geschmiedeten oder sogar gegossenen Ringen hergestellt werden.
Die Kühlluftlöcher 16 in den Flammrohrwänden 44 werden in üblicher Weise erzeugt, beispielsweise durch elektrische Entladungsbearbeitung (EDM) oder durch Laserbohren. Fig. 3a zeigt eine detallierte Ansicht eines Loches 16, welches in der Flammrohrwand 44 erzeugt ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Kühlluftlöcher allgemein in Strömungsrichtung angestellt und wirken als Kanäle durch die Wände 44 des Bauteils. Durch diese Winkelanstellung wird die Erzeugung einer Kühlluftschicht auf der Innenseite 22 der Flammrohrwände 44 verbessert. Der Durchmesser der Kühlluftlöcher 16 liegt im typischen Fall zwischen 0,25 mm und etwa 0,76 mm.
Nach der Erzeugung der Kühlluftlöcher 16 wird die erste (innere) Oberfläche 22 der Flammrohrwände 44, die das Innere 7 des Flammrohres 6 bilden, mit einem Wärmeschutzüberzug 28 versehen. Dieser Überzug 28 auf der ersten (inneren) Oberfläche 22 bildet einen Schutz der Flammrohrwände 44 gegenüber den heißen Verbrennungsgasen. Die zweite (äußere) Oberfläche 24 des Flammrohres 7 ist einer relativ kühlen Kompressorluft 9 ausgesetzt und benötigt daher keinen thermischen Schutz und wird daher nicht überzogen. Im typischen Fall besteht der Überzug 28 aus einem MCrAIY-Verbundüberzug und/oder einem Aluminid- Verbundüberzug, der zuerst auf die Wand aufgebracht wird. Auf der Oberseite dieses Verbundüberzuges wird ein Keramiküberzug aufgetragen, der beispielsweise aus mit Zirkonoxid stabilisiertem Yttriumoxid besteht. Diese Überzüge sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt, und sie werden durch herkömmliche Techniken, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung, physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung (EBPVD) und Plasmaspritzen aufgetragen. Ein Beispiel eines solchen Überzuges 28 und ein Verfahren zur Aufbringung ist in der US 4321311 beschrieben. Hierbei sind ein MCrAIY-Verbundüberzug und eine Aluminiumoxidschicht und eine EBPVD-Keramikschicht mit Stengelkorn vorgesehen. Die US 5514482 beschreibt einen Diffusions-Aluminid-Verbundüberzug mit einer Aluminiumoxidschicht und einer EBPVD-Keramikschicht. Die US 5262245 beschreibt einen MCrAIY-Verbundüberzug mit einer durch Plasmaspritzen aufgetragenen Keramikschicht. Weitere Beispiele sind in der US 4248940, der US 5645893 und der US 5667663 beschrieben.
Die Dicke dieser Überzüge 28 beträgt im typischen Fall zwischen 0,3 mm bis etwa 0,5 mm, je nach den speziellen Erfordernissen der Brennkammer 20 oder des zu schützenden Bauteils.
Die Aufbringung des Überzugs 28 führt oft zu einer unerwünschten Ansammlung 30 von Überzugsmaterial innerhalb der Kühllöcher 16 und über diesen, wie dies in den Fig. 2 und 3b dargestellt ist. Diese Ansammlung kann entweder teilweise oder insgesamt die Kühlluftlöcher 16 verstopfen, wodurch die Kühlluftströmung durch das Loch 16 im Betrieb des Triebwerks verhindert oder vermindert wird. Dies kann, wenn die Verstopfung nicht beseitigt wird, zu einer unzureichenden Kühlluft der Flammrohrwandung 44 und zu einer Verminderung oder einem Fehlen der Dicke der Kühlluftschicht benachbart zu den Flammrohrwänden 44 führen. Dies wiederum kann zu örtlichen heißen Stellen auf der Flammrohrwandung 44 führen, wodurch das Flammrohrmaterial beschädigt und die Lebensdauer des Bauteils verkürzt wird.
Demgemäß wird nach der Aufbringung des Überzugs 28 die Ansammlung 30 von Überzugsmaterial in den Löchern 16 und über diesen entfernt. Dies wird erreicht durch Benutzung eines Hochdruckwasserstrahls 38, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Hochdruckwasserstrahl-Schleifverfahren und Maschinen, die derartige Verfahren durchführen, sind allgemein bekannt. Beispiele derartiger Maschinen werden z. B. von Flow Europe GmbH, Deutschland, erzeugt und sind von dort aus verfügbar. Derartige Maschinen haben eine Düse 32, die über ein Zuführungsrohr 34 mit Hochdruckwasser gespeist wird, und zwar mit einem Druck im typischen Fall zwischen 10.000 psi (689 bar) und etwa 60.000 psi (4136 bar). Dieses Hochdruckwasser tritt aus der Düse 32 über eine kreisförmige Öffnung 36 aus und erzeugt einen allgemein kreisförmigen Strahl 38 von Hochdruckwasser. Der Durchmesser des Strahls 38 liegt allgemein zwischen 0,7 mm und 1,7 mm und beträgt im typischen Fall etwa 1 mm. Die Düse 32 ist auf einem geeigneten nicht dargestellten Träger, beispielsweise einem Roboterarm, montiert, der in der Lage ist, die Düse 32 und mit dieser den Strahl 38 relativ zu einem Werkstück, beispielsweise dem Flammrohr 6, zu bewegen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wasserstrahl 38 einer geeigneten Wasserstrahlmaschine gegen die zweite (äußere) Oberfläche 24 des Flammrohres 6 in den Bereich der Löcher 16 gerichtet. Der Strahl 38 wird dann im Winkel derart angestellt, daß er auf die Wände 44 des Flammrohres 6 unter im wesentlichen den gleichen Winkel auftritt wie der Winkel der Kühlluftlöcher 16 beträgt, und der Strahl wird dann über die Löcher 16 in den Flammrohrwänden 44 geführt, wie dies allgemein durch den Pfeil C angedeutet ist. Der Druck des Wasserstrahls 38, der Abstand 49 (gelegentlich als Auftreffabstand bezeichnet) zwischen der Düse 32 und den Flammrohrwänden 44 und die Zeitdauer, mit der der Strahl 38 auf die Oberfläche auftrifft, werden derart gesteuert, daß das Metall der nicht überzogenen zweiten (äußeren) Oberfläche 24 der Flammrohrwände 44 nicht bearbeitet wird. Im typischen Fall beträgt der Auftreffabstand 49 bis herauf zu etwa 20 mm.
Wenn der Strahl 38 über die zweite nicht überzogene Oberfläche 24 der Flammrohrwände 44 geführt wird, dann trifft er ein Kühlluftloch 16. Das Kühlluftloch ist in seiner Wirkung ein Kanal, und demgemäß tritt der Strahl 38 in das Loch 16 ein, wenn er über die nicht beschichteten Metallseiten eines ersten Abschnitts 42 des Kühlluftloches 16 geführt wird. Am Austritt des Loches trifft der Strahl 38 die Ansammlung 30, die das Loch 16 verstopft oder teilweise verstopft. Das Überzugsmaterial 28, beispielsweise ein Keramikmaterial, ist gegenüber dem Wasserstrahl 38 weniger widerstandsfähig als das Metall der Flammrohrwandung 44. Der Wasserstrahl 38 schleift dadurch mittels Partikelerosion die Überzugsansammlung 30 innerhalb des Kühlluftloches 16 ab, bis der Strahl 38 frei durch das Kühlluftloch 6 hindurchtreten kann. Eine Darstellung des so freigelegten Loches 16 ist in Fig. 3c dargestellt. Wie ersichtlich, wird durch dieses Verfahren ein freier exakt definierter Lochausgang 48 durch den Überzug 28 geschaffen. Der Strahl 38 wird dann nach dem nächsten Kühlluftloch 16 überführt, und das Verfahren wird wiederholt, bis sämtliche Kühlluftlöcher 16 freigelegt sind. Durch dieses Verfahren werden sämtliche Kühlluftlöcher 16 nacheinander freigelegt.
Da der Strahl 38 durch den ersten Wandabschnitt 42 des Loches 16 geführt wird, ist eine genaue Ausrichtung des Strahls 38 auf das Loch 16 nicht nötig, wenn dieses Verfahren benutzt wird. Außerdem überlappt der Strahl 38 das Loch 16, selbst wenn er nicht voll darauf ausgerichtet ist, da die Kühlluftlöcher 16 einen kleineren Durchmesser als der Wasserstrahl 38 aufweisen. Da außerdem der Wasserstrahl 38 gegen die zweite (äußere) Oberfläche 24 des Flammrohres 6 gerichtet wird, ist der Überzug 28 auf der ersten (inneren) Oberfläche 22, der nicht im Loch 16 befindlich ist, dem Wasserstrahl 38 nicht ausgesetzt. Infolgedessen wird die Gefahr, daß Teile des Überzugs 28 auf der ersten (inneren) Oberfläche 22 der Wand 44 durch den Wasserstrahl 38 beschädigt werden, wesentlich verringert. Dies ist bei bekannten Verfahren nicht der Fall, wo ein Bearbeitungsstrahl oder ein Schleiffluid von der ersten (inneren) Oberfläche 22 des Überzugs des Bauteils zugeführt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Wasserstrahlbearbeitung ein relativ kühler Prozeß ist, so daß fast keine Erhitzung des Bauteils stattfindet. Dies steht im Gegensatz zu anderen früheren Verfahren, wo eine beträchtliche Erhitzung des Bauteils auftreten kann Ivisbesondere kann dies der Fall sein bei einem Laserbohren durch den Überzug. Eine derartige Erhitzung kann bei bekannten Verfahren eine Rissebildung des Überzugs und eine thermische Beschädigung des Bauteils bewirken.
Gemäß einem abgewandelten Verfahren wird der Wasserstrahl 38 wiederholt über die nicht überzogene Seite der Flammrohrwandung 44, die die Löcher 16 enthält, geführt. Während eines solchen Durchlaufs oder während einer solchen Führung trifft der Strahl wiederholt die Kühlluftlöcher 16 und durchströmt diese. Allgemein liegt die Überführungsgeschwindigkeit zwischen etwa 0,5 m/min und 10 m/min. und im typischen Fall liegt die Geschwindigkeit bei 2 m/min bei einer allgemein linearen Bewegung des Strahls 38. Bei einer derartigen Geschwindigkeit besteht nicht genügend Zeit für den Strahl, sämtliche Überzüge 30 innerhalb des Loches 16 bei einem einzigen Durchlauf zu entfernen. Infolgedessen wird nur ein Teil des Materials 30 aus dem Loch 16 während eines einzigen Durchlaufs des Strahls 38 über und, durch das Loch 16 entfernt. Das Loch 16 wird aber nach mehreren einzelnen Durchläufen des Strahls 38 über und durch das Loch 16 völlig frei.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine große Zahl von Löchern 16 bei einem einzigen Durchlauf des Strahls im wesentlichen gleichzeitig freigelegt werden kann. Der Strahl 38 braucht auch nicht angehalten und individuell auf jedes Loch 16 ausgerichtet zu werden. Infolgedessen erfordert dieses alternative Verfahren eine noch geringere Ausrichtung des Strahls 38 auf die Löcher 16, und es wird ein noch schneller arbeitendes Verfahren zur Freilegung der Löcher 16 geschaffen. Da außerdem die genaue Steuerung des Wasserstrahls 38 bei diesem Verfahren nicht kritisch ist, können weniger genau gesteuerte Wasserstrahlmaschinen benutzt werden, die einfacher und billiger sind.
Eine weitere Variation des obigen Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Das Flammrohr 6, welches oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, besitzt einen Überzug 28 auf den Innenwänden eines durch das Flammrohr 6 definierten Ringes. Ein radial gerichteter Wasserstrahl 38 wird über die Kühlluftlöcher 16 geführt, indem das Flammrohr 6 um seine Längsachse 50 gedreht wird, wie dies durch den Pfeil D angedeutet ist. Der Strahl 38 wirkt auf diese Weise auf den gesamten Umfang der Flammrohrwand 44, in der die Löcher 16 eingebohrt sind, während sich das Flammrohr 6 dreht. Dann wird der Wasserstrahl 38 axial verschoben, wie dies durch den Pfeil E dargestellt ist, um auf einen weiteren Umfangskreis und eine Reihe von Löchern 16 aufzutreffen, welche Reihen längs des Flammrohres 6 angeordnet sind. Der Strahl 38 wird außerdem in Richtung des Pfeiles F relativ zu der Flammrohrwandung 44 verschoben, um den erforderlichen Auftreffabstand 49 zu erhalten. Die Drehung des Flammrohres 6 wird durch irgendwelche bekannte Mittel durchgeführt, beispielsweise durch Lagerung des Flammrohres 6 auf einem Drehtisch. Das oben erwähnte drehende System schafft ein einfacheres und einfacheres Verfahren zur Führung des Strahls 38 über die Oberfläche eines Bauteils, und es können höhere Bewegungsraten als bei einem linearen Verschiebesystem erreicht werden. Bei einem drehenden System kann eine Überführungsgeschwindigkeit des Strahls 38 über der Oberfläche des Bauteils von 5 m/sec erreicht werden. Es ist klar, daß bei derart hohen Geschwindigkeiten nur ein sehr kleiner Teil des Überzugsmaterials 28 bei jedem Durchlauf des Strahls über dem Loch 16 entfernt wird.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 wird, wie dargestellt, der Strahl 38 benutzt, um die Löcher 16 in der Innenwand 52 des Flammrohres freizulegen. Es ist klar, daß zur Freilegung der Löcher 16 in der Außenwand 54 der Strahl 38 außerhalb der Außenwand des Flammrohres 6 montiert werden muß, wobei der Strahl 38 radial nach innen gerichtet ist. Durch dieses Verfahren werden die in den Flammrohrwänden 44 eingebohrten Löcher 16 durch die wiederholten Durchgänge des Wasserstrahls 38 freigelegt, wenn sich das Flammrohr 6 dreht.
Bei einem speziellen illustrativen Versuch des Grundverfahrens der Erfindung wurde ein 1 mm dickes Prüfstück aus C263, einer Nickel-Kobalt-Superlegierung, durch Laserbohren mit einer Anzahl von 0,5 mm - Löchern in einer Reihe versehen, wobei jedes Loch unter einem Winkel von 30º angestellt war. Eine Seite des Prüfstücks wurde dann mit einer 0,4 mm dicken Schicht aus einem Standard-Keramik- Wärmeschutzüberzug versehen. Bei diesem Versuch bestand der Überzug aus einer 0,1 mm Schicht aus einem MCrAIY-Verbundüberzug, der durch Plasmaspritzen aufgetragen wurde und einer 0,3 mm starken Schicht aus Keramikmaterial aus durch Zirkonoxid stabilisiertem Yttriumoxid, und diese Schicht wurde durch Plasmaspritzen auf dem Verbundüberzug aufgetragen. Dieser Überzug blockierte wenigstens teilweise die vorgebohrten Löcher. Ein 1 mm dicker kreisförmiger Wasserstrahl wurde unter einem Druck von 50.000 psi unter einem Winkel von 30º auf die Metallseite des Prüfstückes gerichtet, wobei die Strahldüse etwa 10 mm vom Prüfstück entfernt war. Dieser Strahl wurde über die Reihe von Löchern mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2 mm/min bewegt. Eine Inspektion der Löcher zeigte, daß sie von dem Keramiküberzug freigelegt waren, der vorher innerhalb der Löcher abgelagert war. Der Überzug um die Löcher herum blieb im wesentlichen unbeeinflußt, und es ergab sich ein freies Loch, welches der Wasserstrahl im Überzug erzeugt hatte. Es zeigte sich außerdem keine wesentliche Beschädigung der Oberfläche des Prüfstücks, die dem Wasserstrahl während der Überquerung des Strahls zwischen den Löchern ausgesetzt war. Obgleich dieses Verfahren in bezug auf die Freilegung von Löchern in ringförmigen Flammrohren 6 beschrieben wurde ist es klar, daß es auch auf andere bekannte Arten von Brennkammern angewandt werden kann, die Kühlluftlöcher oder andere kleine Löcher besitzen und ein Überzugsmaterial tragen, das auf einer Seite ihrer Wände im Bereich der Löcher aufgetragen wurde. Beispielsweise kann die Erfindung in Verbindung mit zylindrischen Brennkammern benutzt werden, die aus einer Anzahl einzelner zylindrischer Flammrohre bestehen, die um das Triebwerk herum angeordnet sind. Das Verfahren der Erfindung kann auch zum Freilegen von Kühlluftlöchern innerhalb von Brennkammerplatten oder plattenförmigen Brennkammern benutzt werden. Eine Seite der Platten wird gewöhnlich mit einer Wärmeschutzschicht überzogen. Derartige plattenartige Brennkammern sind ebenfalls bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für andere Bauteile sowohl innerhalb des Verbrennungsteils 20 eines Gasturbinentriebwerks als auch allgemein benutzt werden. Es kann auch ins Auge gefaßt werden, die Erfindung zur Herstellung von Bauteilen zu benutzen, die während der Herstellung Löcher besitzen, die durch ein Überzugsmaterial verstopft oder teilweise verstopft sind. Beispielsweise kann die Erfindung angewandt werden auf die Herstellung von Turbinen-Laufschaufeln, die Kühlluftkanäle aufweisen and auf ihrer Außenseite mit einem thermischen Wärmeschutzüberzug versehen sind. Eine Beschränkung der Anwendung des Verfahrens besteht lediglich darin, daß man in der Lage sein muß, den Strahl auf die Kühllöcher auszurichten. Dies wird möglicherweise bei kleinen Turbinenschaufeln ein Problem sein, denn es muß genügend Raum für die Düse und den Strahl vorhanden sein, damit diese eingesetzt werden können und von innen die Schaufel bearbeiten.
Das Verfahren ist nicht auf die Benutzung bei der Entfernung von Wärmeschutzüberzügen aus Kühllöchern beschränkt. Andere Überzüge können in gleicher. Weise irgendwelche Löcher im Flammrohr 6 oder anderen Bauteilen verstopfen oder teilweise verstopfen. Derartige Überzüge können beispielsweise Verwendung finden, um einen Korrosionsschutz für einen Bauteil herbeizuführen.
Es ist außerdem klar, daß das Verfahren zur Reparatur von Komponenten ebenso angewandt werden kann wie bei der ursprünglichen Herstellung. Während der Reparatur und Überholung gebrauchter Bauteile wird das Überzugsmaterial gewöhnlich entfernt. Dann wird ein neuer Überzug aufgetragen, der allgemein die ursprünglichen Kühllöcher in dem Bauteil verstopft oder teilweise verstopft. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren dann angewandt werden, um dieses überschüssige Überzugsmaterial aus diesen Kühllöchern zu entfernen.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wurde ein Wasserstrahl 38 benutzt, um die Löcher freizulegen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Fluide benutzt werden. Es könnte auch ein Schleifmaterial in den Fluidstrahl eingeführt werden, das bei einem gegebenen Strahldruck und Abstand die Bearbeitungsleistung des Strahls erhöht. Bei solchen Änderungen muß jedoch darauf geachtet werden, daß der Fluidstrahl nicht das Metall des Bauteils bearbeitet,
und er muß dennoch kräftig genug sein, um das Überzugsmaterial aus den Löchern zu entfernen. Die Möglichkeit einer Beschädigung des Metalls des Bauteils kann auch dadurch vermindert werden, daß der Strahl schnell über das Metall derart geführt wird, daß der Strahl während einer ausgedehnten Periode nicht auf den gleichen Bereich auftrifft.

Claims

1. Verfähren zum Beschichten eines Bauteils (6), der wenigstens einen durchgehenden Kanal (16) aufweist, bei welchem Verfahren ein Überzug (28) auf einen Bereich einer ersten Oberfläche (22) eines Bauteils (6) in der Nähe eines Endes des wenigstens einen Kanals (16) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluidstrahl (38) danach durch das andere Ende des wenigstens einen Kanals (16) derart gerichtet wird, daß wenigstens ein Teil irgendwelchen Überzugsmaterials (30) innerhalb des Kanals (16) oder diesen Kanal verstopfend entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Fluidstrahl (38) ein Wasserstrahl ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem der wenigstens eine Kanal (16) vorgesehen ist, um im Betrieb eine Kühlluftströmung für den Bauteil (6) zu bilden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bauteil (6) aus einem Metall besteht und der Überzug (28) ein Keramiküberzug ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bauteil (6) ein Brennkammer-Flammrohr ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welchem der Bauteil (6) eine Turbinen-Laufschaufel ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Strahl (38) auf einen ersten Abschnitt (42) des wenigstens einen Kanals (16) benachbart zu einer zweiten Oberfläche (24) des Bauteils geleitet wird, bevor der Strahl auf das Überzugsmaterial (30) innerhalb des Kanals (16) oder diesen verstopfend auftrifft.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bauteil (6) eine Vielzahl von Kanälen (16) aufweist und durch das Verfahren der Strahl (38) durch einen ersten Kanal (16) gerichtet wird und dann der Strahl (38) über die zweite Oberfläche (24) des Bauteils (6) nach dem nächsten Kanal (16) überführt wird, wo der Strahl durch den nächsten Kanal (16) gerichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Strahl (38) mit einer konstanten Geschwindigkeit über einen Bereich der zweiten Oberfläche (24) des Bauteils (6) geführt wird, in dem die Kanäle (16) angeordnet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem im wesentlichen der gesamte Überzug (30) innerhalb des Kanals (16) aus dem ersten Kanal (16) entfernt wird, bevor der Strahl (38) nach dem nächsten Kanal (16) überführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Bauteil (6) relativ zu dem Fluidstrahl (38) derart gedreht wird, daß der Fluidstrahl (38) intermittierend durch den wenigstens einen Kanäl (16) während der Drehung des Bauteils (6) gerichtet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei welchem der Strahl (38) wiederholt durch sämtliche Kanäle (16) gerichtet wird, bis die Kanäle (16) im wesentlichen frei sind von allem Überzugsmaterial (30) innerhalb der Kanäle (16) oder diese verstopfend.

13. Verfahren zur Reparatur eines Gasturbinen-Bauteils (6) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinen-Bauteils (6) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.