Weitere Einzelheiten, die die vielfältigen Ausstattungsmerkmale dieser Erfindung betreffen, sind der restlichen Beschreibung zu entnehmen.

1 zeigt eine Darstellung eines zylindrischen Metalldorns, an dem das Verwirbelungsmaterial angebracht ist.

2 zeigt eine Schnittansicht (Stirnansicht) des zylindrischen Dorns von 1 nach dem Aufbringen eines Haftmittels.

3 zeigt in einer seitlichen Draufsicht einen mit Ausnehmungen ausgebildeten zylindrischen Dorn.

4 zeigt den Dorn von 3 in einer Seitenansicht von rechts.

5 veranschaulicht den Dorn von 3, nachdem die Ausnehmungen mit einer Metall-Bindemittelsubstanz gefüllt wurden.

6 veranschaulicht das Einführen des Dorns von 5 in eine Durchlassöffnung.

7 veranschaulicht die Durchlassöffnung von 6 nach Entfernen des Dorns.

8 veranschaulicht einen Satz von Ringen, die Verwirbelungsflächen bilden und auf einem Dorn anzuordnen sind.

9 zeigt eine rechte Seitenansicht von 8.

10 zeigt eine seitliche Draufsicht auf einen zylindrischen Dorn.

11 zeigt eine rechte Seitenansicht von 10.

12 veranschaulicht einen Satz von zu opfernden Ringen, die auf einem Dorn anzuordnen sind.

13 zeigt eine rechte Seitenansicht von 12.

14 veranschaulicht den Dorn von 10, nachdem Sätze von Ringen daran angebracht sind.

15 zeigt eine rechte Seitenansicht von 14.

16 veranschaulicht die Anordnung von Ringen in 14, wie in einer Durchlassöffnung nach Entfernen des Dorns erscheinen.

17 zeigt eine rechte Seitenansicht von 16.

18 veranschaulicht noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Verwirbelungsmaterial auf der Innenfläche eines zylindrischen, hohlen Dorns aufgebracht wurde, der aus einer Metallfolie geformt wurde.

19 zeigt in einer Photographie einen Abschnitt einer aus einer Superlegierung gefertigten Röhre, auf die Verwirbelungsmaterial angebracht wurde.

20 zeigt einen Ausschnitt einer Hartlotfolie, die mit Verwirbelungsmaterial versehen ist.

Die in dieser Beschreibung erörterten Durchlassöffnungen können innerhalb eines beliebigen metallenen Materials oder einer Legierung ausgebildet sein. Üblicherweise (jedoch nicht in jedem Fall) ist das metallene Material eine wärmeresistente Legierung, die für Umgebungen hoher Temperatur, beispielsweise oberhalb 1000°C, ausgelegt ist. In dem hier verwendeten Sinne kennzeichnet der Ausdruck "auf Metall basierend" solche Materialien, die hauptsächlich aus Metall oder aus Metalllegierungen hergestellt sind, jedoch daneben nichtmetallische Substanzen enthalten können.

Einige wärmeresistente Legierungen sind "Superlegierungen", beispielsweise auf Kobalt basierende, auf Nickel basierende und auf Eisen basierende Legierungen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Superlegierung ein Material, in dem Nickel oder Kobalt das gewichtsprozentual am stärksten vertretene Einzelelement ist. Auf Nickel basierende Legierungen enthalten beispielsweise wenigstens etwa 40 Gew.-% Ni und wenigstens eine Komponente aus der Gruppe, die aus Kobalt, Chrom, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Titan und Eisen besteht. Auf Kobalt basierende Legierungen enthalten beispielsweise wenigstens etwa 30 Gew.-% Co, und wenigstens eine Komponente aus der Gruppe, die aus Nickel, Chrom, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Titan und Eisen besteht. Das Bauteil, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet ist, kann ganz unterschiedlicher Art sein, liegt jedoch häufig in Form einer Bauteils einer Turbine vor, z.B. einer Brennkammerbuchse, einer Brennkammerkuppel, einer Schaufel oder einem Blatt, einer Düse oder einem Flügel einer Turbine.

Das Verwirbelungsmaterial kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das nach einem Verschmelzen mit der Fläche der Durchlassöffnung mehrere Vorsprünge bildet, die aus der Oberfläche ragen. Die Vielzahl der Vorsprünge stellt sich als eine aufgeraute Fläche dar. Häufig umfasst das Verwirbelungsmaterial eine Partikelphase aus einzelnen Partikeln, die an die Oberfläche der Durchlassöffnung gebunden sind. Die Partikelphase aus einzelnen Partikeln kann, wie weiter unten erläutert, aus einem grobkörnigen Pulver hergestellt werden. Ferner findet sich eine allgemeine Beschreibung von Verwirbelungsmaterial in der parallelen Patentanmeldung S.N. 09/304,276, die am 3. Mai 1999 (Anwaltsaktenzeichen RD-25910) (W. Hasz et al.) eingereicht wurde und auf deren Beschreibung hier Bezug genommen wird.

Das Verwirbelungsmaterial wird in der Regel aus einem Material hergestellt, das demjenigen ähnelt, aus dem das Bauteil besteht, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Gewöhnlich umfasst das Pulver des Verwirbelungsmaterials wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel, Kobalt, Aluminium, Chrom, Silizium, Eisen und Kupfer besteht. Das Pulver kann aus einer Superlegierungsbindungsschichtzusammensetzung hergestellt sein, wie sie für Wärmebarrierebeschichtungssysteme (TBC-Systeme) verwendet wird. Beispielsweise kann das Pulver eine Superlegierungszusammensetzung der Form MCrAl(X) sein, wobei M ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ni, Co, Fe und deren Kombinationen besteht; und X ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Y, Ta, Si, Hf, Ti, Zr, B, C und deren Kombinationen besteht. Die Zusammensetzung der MCrAl(X)-Materialien enthält im Allgemeinen anteilig etwa 17,0–23,0% Chrom; etwa 4,5–12,5% Aluminium; und etwa 0,1-1,2% Yttrium; wobei M die Differenz zu 100% bildet. In einigen Ausführungsbeispielen weisen die Pulverpartikel des Verwirbelungsmaterials eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von ungefähr 125 &mgr;m bis etwa 4000 &mgr;m auf. In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die durchschnittliche Abmessung im Bereich von ungefähr 180 &mgr;m bis etwa 600 &mgr;m.

In der vorliegenden Erfindung wird das Verwirbelungsmaterial an bereits vorhandenen Durchlassöffnungen angebracht. In den meisten Fällen weisen diese Durchlassöffnungen anfänglich glatte Oberflächen auf. (Das erfindungsgemäße Verfahren kann allerdings auch verwendet werden, um Verwirbelungsflächen in Bohrungen anzubringen, deren Oberflächen bereits ganz oder teilweise rauh sind). Techniken zum Formen der Durchlassöffnungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beispielsweise können die Bohrungen in vielen Arten von Bauteilen durch Gießen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein STEM-Verfahren verwendet werden, um ebenmäßige Bohrungen herzustellen, d. h. indem der Prozess in einer "kontinuierlichen" Weise durchgeführt wird. Im Falle von gewissen Arten von Bauteilen können die Durchlassöffnungen durch andere Bohrungstechniken ausgebildet werden, z.B. mittels Laserbohren, elektroerosiver Bearbeitung (EDM) und Gewehrlaufbohrtechniken. Die Länge der Durchlassöffnungen beträgt in der Regel etwa 1 Zoll (2,5 cm) bis etwa 25 Zoll (63,5 cm). Ferner liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von etwa 20 : 1 bis etwa 100 : 1.

Wie oben erwähnt, wird das Verwirbelungsmaterial zunächst an einem Substrat angebracht, z.B. an einem Dorn oder einer sonstigen Art eines entfernbaren Trägers. Viele unterschiedliche Arten von Substraten können für diesen Zweck eingesetzt werden. Die Maße und die Gestalt des Substrats können beträchtlich variieren, solange dieses sich in die Durchlassöffnung einbringen lässt. Das Substrat muss ferner geeignet sein, das Verwirbelungsmaterial an seiner Oberfläche festzuhalten und nach einem anschließenden Wärmebehandlungsschritt an die Fläche der Durchlassöffnung "freizugeben" oder zu übergeben.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat, wie in 1 gezeigt, ein Stab 10. Die Länge des Stabs ist ausreichend bemessen, um das Verwirbelungsmaterial 12 für eine gewünschte Länge der Durchlassöffnung aufzunehmen. Die Gestalt des Stabes wird basierend auf der Gestalt der Bohrung ermittelt. Gewöhnlich ist die Gestalt, wie in der Figur gezeigt, im Wesentlichen zylindrisch.

In manchen der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist der Stab aus einem zu opfernden Material ausgebildet. D.h. ein derartiges Material lässt sich aus der Durchlassöffnung entfernen, nachdem das Verwirbelungsmaterial mit der Bohrungsfläche verschmolzen ist. Es können vielfältige Opfermaterialien verwendet werden. Viele davon sind in der parallelen Patentanmeldung S.N. 10/139,659 beschrieben, die am 7. Mai 2002 (Anwaltsaktenzeichen RD-26,739, W. Hasz et al.) eingereicht wurde und auf deren Beschreibung hier Bezug genommen wird. Der Fachmann ist in der Lage, das am besten geeignete Material für ein ausgewähltes Bauteil und für einen Typ eines (unten beschriebenen) Haftmittels zu ermitteln. Das zu opfernde Material sollte geeignet sein, sich aus der Bohrung ohne besonderen Aufwand entfernen zu lassen. Die Bedingungen des Entfernens (z.B. thermischen Bedingungen) sollten sich auf die Bohrung oder deren umgebende Bereiche nicht schädlich auswirken.

Nicht als beschränkend zu wertende Beispiele für Opfermaterialien schließen Metalloxide, Metallsalze, Metallhalogenide, Metallborate, Metallsulfate, Metallaluminate und deren Kombinationen ein. Einige spezielle Beispiele sind Natriumchlorid, Kaliumborat, Nickelchlorid, Magnesiumsulfat, Nickelfluorid, Natriumaluminat; und Mischungen von Natriumaluminat und Natriumaluminosilicat. Viele dieser Verbindungen werden, falls sie in Form einer Paste verwendet werden, mit einem Bindemittel und/oder einem Lösungsmittel kombiniert. Nicht als beschränkend zu wertende Beispiele der Bindemittel sind auf Wasser basierende Gele, z.B. Vitta Gel^TM und Polyethylenoxid. Zu Beispielen von auf Lösungsmittel basierenden Bindungssystemen zählen solche, die auf Polyvinylbutyral basieren. Die Wahl eines speziellen Lösungsmittels wird von dem Typ des verwendeten Bindemittels abhängen. Zu den typischen Beispielen zählen Wasser, Alkohole, Azeton, Natriumhydroxidlösungen und Kaliumhydroxidlösungen. Dem Fachmann sind Techniken bekannt, durch die sich diese Materialien zu Substraten vielfältiger Gestalt formen lassen, beispielsweise zu einem zylindrischen Stab.

In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen werden auf Kohlenstoff basierende Materialien verwendet, um das Substrat zu bilden. Zu den Beispielen zählen Graphit, sowie graphithaltige Mischungen. Auf Graphit basierende Substrate lassen sich ohne weiteres in eine gewünschte Gestalt pressformen. Darüber hinaus lässt sich Graphit, falls erforderlich, beispielsweise durch Verbrennungstechniken problemlos aus der Durchlassöffnung entfernen.

Es stehen eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, um Verwirbelungsflächen an dem Stab anzubringen 10. Viele davon sind in den zuvor erwähnten Patentanmeldungen allgemein erörtert. In einer Ausprägung können die Partikel des Verwirbelungsmaterials nach Belieben auf dem Stab aufgetragen oder "gesprüht" werden. Gewöhnlich wird der Stab zunächst mit einer beliebigen Art eines Bindemittel (z.B. durch Besprühen oder Eintauchen) beschichtet, um ein vorübergehendes Haften für die Partikel des Verwirbelungsmaterials vorzusehen. Das Bindemittel basiert gewöhnlich auf einem flüssigen Medium, beispielsweise Wasser oder einem organischen Lösungsmittel. Als herkömmliche Bindemittel können organische Materialien, z.B. Polyethylenoxid und vielfältige Akrylfaserstoffe, verwendet werden. (Ferner können auf Lösungsmittel basierende Bindemittel verwendet werden).

Nachdem das Verwirbelungsmaterial auf dem Stab aufgebracht ist, kann ein Haftmittel auf das Material aufgetragen werden. In vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Haftmittel ein Hartlotmaterial. Solche Materialien sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und umfassen häufig wenigstens ein Metall, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel, Kobalt, Eisen, einem Edelmetall und einer Mischung besteht, die mindestens eines der vorausgehenden Elemente enthält. Einige Hartlotzusammensetzungen sind in "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Bd. 21, Seite 342 ff. beschrieben. Die Zusammensetzung der Hartlotlegierung ähnelt vorzugsweise jener des Bauteils , in dem die Bohrung ausgebildet ist. Falls das Bauteil beispielsweise aus einer auf Nickel basierenden Superlegierung gefertigt ist, kann die Hartlotlegierung aus einer ähnlichen auf Nickel basierenden Superlegierungszusammensetzung (die gewöhnlich wenigstens etwa 40 Gew.-% Nickel enthält) hergestellt sein. Die Hartlotlegierungszusammensetzung kann ferner Silizium und/oder Bor enthalten, die als Mittel zum Senken des Schmelzpunkts dienen.

Exemplarische auf Nickel basierende Hartlotlegierungszusammensetzungen sind weiter unten beschrieben. Die Komponenten sind in Gewichtsprozent angegeben:

• 1) 4,5 Si, 14,5 Cr, 3,3 B und 4,5 Fe, Rest Nickel;
• 2) 15 Cr, 3,5 B, Rest Nickel;
• 3) 4,5 Si, 3 B, Rest Nickel;
• 4) 4,2 Si, 7 Cr, 3 B und 3 Fe, Rest Nickel;
• 5) 10 Si, 19 Cr, Rest Nickel;
• 6) 3,5 Si, 22 Co, 2,8 B, Rest Nickel;
• 7) 3,5 Si, 1,8 B, Rest Nickel;
• 8) 4,5 Si, 14 Cr, 3 B und 4,5 Fe, Rest Nickel;
• 9) 17 Cr, 9 Si, 0,1 B, Rest Nickel;
• 10) 2,6 Si, 2 Cr, 2 B und 1 Fe, Rest Nickel;
• 11) 15 Cr, 8 Si, Rest Nickel;
• 12) 10,1 Si, 19,0 Cr, Rest Nickel;
• 13) 4,5 Fe, 4,5 Si, 14,0 Cr, 3,1 B, 0,75 C, Rest Nickel;
• 14) 4,5 Fe, 4,5 Si, 14,0 Cr, 3,1 B, Rest Nickel;
• 15) 4,5 Si, 3,1 B, Rest Nickel;
• 16) 11,0 P, Rest Nickel;
• 17) 10,1 P, 14,0 Cr, Rest Nickel; und
• 18) 19 Cr, 7,3 Si, 1,5 B, Rest Nickel.

Einige bevorzugte auf Nickel basierende Hartlotlegierungszusammensetzungen für die vorliegende Erfindung umfassen wenigstens eines der Elemente Silizium, Chrom, Bor und Eisen, wobei Nickel die Differenz zu 100% bildet. Silizium wird in manchen Fällen gegenüber Bor bevorzugt verwendet. In einigen Fällen werden Mischungen von Silizium und Bor verwendet. Als ein spezielles, nicht als beschränkend zu bewertendes Beispiel umfassen einige diese Zusammensetzungen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Silizium oder Bor; und etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Chrom, wobei Nickel die Differenz zu 100% bildet.

Exemplarische auf Kobalt basierende Hartlotlegierungszusammensetzungen enthalten:

• 1) 8 Si, 19 Cr, 17 Ni, 4 W, 0,8 B, Rest Co; und
• 2) 17,0 Ni, 1,0 Fe, 8,0 Si, 19,0 Cr, 0,8 B, 0,4 C, Rest Co.

Es könnten ebenso andere Arten von Hartlotlegierungen verwendet werden. Zu nicht als beschränkend zu wertenden Beispielen zählen Edelmetallzusammensetzungen, die Silber, Gold und/oder Palladium in Kombination mit anderen Metalle, z.B. Kupfer, Mangan, Nickel, Chrom, Silizium und Bor enthalten.

Mischungen, die mindestens eines der Hartlotlegierungselemente enthalten, können ebenfalls verwendet werden. Viele der Metallhartlotzusammensetzungen sind von Praxair Surface Technologies, Inc. zu beziehen.

Das Haftmittel, hier z.B. ein Hartlotmaterial, kann über dem Verwirbelungsmaterial in Form einer Haftfolie oder einer Haftschicht angebracht sein. Die Haftfolie kann beispielsweise in Form eines grünen Hartlotbands zur Verfügung stehen, das um den Stab herum gewickelt oder aufgerollt wird. Grüne Hartlotbänder sind im Handel erhältlich. Zu den Beispielen zählen die von Sulzer Metco zu beziehende Amdry-Produktline von Hartlotbändern. Eine exemplarische Güteklasse stellt Amdry^®100 dar. Die Klebebänder können alternativ mittels herkömmlicher Techniken erzeugt werden, wie sie in der erwähnten Patentanmeldung S.N. 09/304,276 beschrieben sind. (Alternativ kann die Haftfolie in Form einer Metallfolie vorliegen).

2 veranschaulicht einen Querschnitt (Stirnansicht) des zylindrischen Stabs (Substrats) von 1 nach dem Aufbringen des Haftmittels. Der Stab 10 umfasst eine Verwirbelungsschicht 12, die ihrerseits mit einer Hartlotschicht 14 bedeckt ist. Der Stab kann in diesem Zustand manuell oder mechanisch in eine Durchlassöffnung eingeführt werden. (Zur Veranschaulichung kann ein Robotersystem verwendet werden, um mehrerer Stäbe gleichzeitig in unterschiedliche Durchlassöffnungen einzuführen). Der Stab wird ausreichend weit eingeführt, um das Verwirbelungsmaterial 12 benachbart zu einem ausgewählten Bereich der Innenfläche der Durchlassöffnung zu positionieren.

Nachdem der Stab an einer gewünschten Position innerhalb der Durchlassöffnung positioniert ist, wird eine Wärmebehandlung vorgenommen. Die Wärmebehandlung verschmilzt das Verwirbelungsmaterial mit der Innenfläche der Bohrung. Die jeweils speziell verwendete Wärmebehandlung kann variieren und hängt zum Teil von der Art des verwendeten Haftmittels ab. (Die Wärmebehandlung sollte gewöhnlich ausreichend Wärme an das Haftmittel, das Verwirbelungsmaterial und das darunter liegende Metall der Durchlassöffnung abgeben, um ein angemessenes Verschmelzen zu ermöglichen). Im Falle eines für Hartlöten geeigneten Haftmittels kann ein herkömmlicher Hartlötschritt eingesetzt werden, wie er in S.N. 09/304,276 beschrieben ist. (In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff "Hartlöten" im Wesentlichen jedes Verfahren zum Verbinden von Metallen umfassen, das die Verwendung eines Füllstoffmetalls oder einer Füllstofflegierung beinhaltet).

Die Hartlöttemperaturen hängen teilweise von der Art der verwendeten Hartlotlegierung ab und liegen gewöhnlich im Bereich von etwa 525°C bis etwa 1650°C. Im Falle von auf Nickel basierenden Hartlotlegierungen, liegen die Hartlöttemperaturen gewöhnlich im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1260°C. Wenn möglich, wird das Hartlöten in der Regel in einem Vakuumofen durchgeführt. Die Stärke des Vakuums wird teilweise von der Zusammensetzung der Hartlotlegierung abhängen. Gewöhnlich liegt das Vakuum im Bereich von etwa 10^–1 Torr bis etwa 10^–8 Torr und wird durch Evakuieren von Umgebungsatmosphäre aus einer Vakuumkammer bis zum gewünschten Grad erzeugt. Der Fachmann sind möglicherweise weitere Erhitzungstechniken bekannt, die sich zum Verschmelzen des Verwirbelungsmaterials innerhalb der Durchlassöffnung eignen.

Der Wärmebehandlungsschritt verschmilzt das Haftmittel (z.B. das Hartlotmaterial) mit der Innenfläche der Durchlassöffnung. Wenn das Haftmittel abkühlt, geht es eine metallurgische Verbindung mit der Wand der Bohrung ein. Das Verwirbelungsmaterial wird mechanisch innerhalb der Bindemittelschicht, z.B. des verfestigten Hartlotmatrixmaterials, gehalten. Das Verwirbelungsmaterial ragt dabei in den Pfad der Durchlassöffnung, um seine Funktion, z.B. die Verbesserung der Wärmeübertragung, zu erfüllen.

Nachdem das Haftmittel mit der Fläche der Durchlassöffnung verschmolzen ist, kann das Substrat (z.B. der Dorn) aus der Bohrung entfernt werden. In einigen Ausprägungen wird das Substrat einfach unverändert aus der Bohrung zurückgezogen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird es jedoch mittels einer beliebigen Technik entfernt, die das Substrat (i. e. ein zu opferndes Substrat) zersetzt. Die jeweils zu verwendende spezielle Technik hängt teilweise von der Zusammensetzung des Substrats ab. Die Technik sollte so geartet sein, dass weder die Durchlassöffnung noch das Bauteil, in dem die Durchlassöffnung ausgebildet ist, beeinträchtigt werden. (Beispielsweise könnten starke Säuren sich zwar zum Entfernen viele Arten von Substraten eignen, jedoch könnten dabei metallene Bauteile oder Komponenten in der Umgebung beschädigt werden).

Im Falle eines wasserlöslichen Substratmaterials kann als Technik zum Entfernen eine wässrige Spülung verwendet werden. Chemisches Auslaugen oder Vakuumextraktion könnte für andere Arten von Materialien eingesetzt werden. Ätzen mit Lösungsmitteln wie Wasser, Alkohole, Azeton oder Alkalimetallhydroxide kann ebenfalls eingesetzt werden. Eine weitere Technik, die sich in manchen Fällen eignet, stellt das Entfernen mittels Ultraschall dar.

Falls das Substratmaterial organisch (z.B. Graphit) oder teilweise organisch ist, könnte Verbrennung eingesetzt werden. Beispielsweise könnte das Bauteil selbst bis zu einer Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um das Substratmaterial zu verdampfen oder abzubrennen. Rückstände könnten anschließend durch einen bloßen Druckluftstrom oder in Kombination mit einer der anderen oben erwähnten Techniken entfernt werden.

In noch einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Verwirbelungsmaterial zunächst auf dem Substrat (z.B. dem Dorn) in Form eines Schlamms der auch das Haftmittel enthält, aufgetragen. Beispielsweise kann eine Schlammzusammensetzung, die ein flüssiges Medium, Hartlotlegierungspulver und Verwirbelungsmaterialpulver enthält, durch einfache Mischtechniken zubereitet werden. (Der Schlamm kann optional ein Bindemittel enthalten, und das flüssige Medium kann als ein Lösungsmittel für das Bindemittel wirken.) Das flüssige Medium kann, wie zuvor beschrieben, in Form von Wasser oder eine organische Komponente, oder Mischungen davon vorliegen.

Der Schlamm kann durch vielfältige Techniken aufgetragen werden. Beispielsweise kann dieser aufgesprüht, aufgestrichen oder unmittelbar auf dem Substrat als Folie gegossen werden. Der Schlamm kann anschließend erlaubt werden, zu trocken, wobei sämtliche flüchtigen Bestandteile verdunsten. Alternativ kann ein herkömmlicher Wärmebehandlungsschritt durchgeführt werden, um das Verdunsten der flüchtigen Stoffe zu beschleunigen. Das Substrat, das das Verwirbelungsmaterial und das Haftmittel umfasst, kann anschließend, wie zuvor beschrieben, in die Durchlassöffnung eingeführt werden.

Als eine weitere Alternative kann, wie in 3 und 4 dargestellt, ein Muster von Ausnehmungen in der Fläche des Substrats ausgebildet werden. Jede Ausnehmung 30 in dem Substrat 32 (z.B. einem zylindrischen Stab) weist eine Abmessung auf, die zu der Abmessung einer entsprechenden, gewünschten Position von Verwirbelungsmaterial auf der Innenfläche einer Durchlassöffnung reziprok ist. Verfahren zum Strukturieren und Ausbilden der Ausnehmungen sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann eine – in der Regel rechnergesteuerte – materialabhebende Bearbeitungstechnik für diesen Zweck verwendete werden.

Die Ausnehmungen 30 werden anschließend, wie in 5 gezeigt, mit einer Zusammensetzung 34 aus Haftmittel und Verwirbelungsmaterial gefüllt. Jede dieser Komponenten wurde zuvor beschrieben. Ferner ist gewöhnlich ein Bindemittel anwesend. (Allerdings sind dem mit Metallpulvertechnologie vertrauten Fachmann auch andere Techniken bekannt, die geeignet sind, die Verwirbelungsmaterialpartikel und die Haftmittelpartikel in ausreichendem Maße aneinander haften zu lassen). Das Haftmittel ist gewöhnlich ein Hartlotmaterial, und ein zusätzliches Lösungsmittel kann hinzugefügt werden, um die Viskosität einzustellen. Die Zusammensetzung weist gewöhnlich eine pastenartige Viskosität auf. Die Zusammensetzung kann durch eine beliebige unkomplizierte Technik, z.B. Aufspachteln oder Injektion, in die Ausnehmungen eingebracht werden. Als ein optionaler zusätzlicher Schritt kann um den Stab eine Haftmittelschicht gewickelt oder aufgerollt werden, die die mit der Zusammensetzung 34 gefüllten Ausnehmungen bedeckt. Wie zuvor beschrieben, ist die zum Umwickeln verwendete Bindemittelschicht häufig ein grünes Hartlotband.

Das Substrat wird anschließend, wie in 6 gezeigt, in die Durchlassöffnung 36 eingeführt. Nachdem das Substrat an der gewünschten Stelle positioniert ist, wird eine Wärmebehandlung vorgenommen, um das Verwirbelungsmaterial zusammen mit dem Haftmittel mit der Bohrungswand zu verschmelzen. In den meisten Fällen ist das Haftmittel ein Hartlot, und die Hartlöttechnik ist von der zuvor beschriebenen Art.

Nach dem Schmelzschritt kann das Substrat 32 durch eine der oben beschriebenen Techniken entfernt werden. Eine Verbrennen beinhaltende Technik des Entfernens ist in Fällen bevorzugt, in denen das Substratmaterial entflammbar ist. Beispielsweise kann ein Schritt des Vakuum-Hartlötens zum Verschmelzen verwendet werden, auf den ein Wärmebehandlungsschritt mit Luft folgt, um ein graphitartiges Substratmaterial zu oxidieren und auf diese Weise zu entfernen. (Es sollte darauf geachtet werden, dass Temperaturen vermieden werden, die zu Beschädigungen der umgebenden wand der Durchlassöffnung führen könnten). Nach dem Entfernen des Substrats verbleibt das übrig gebliebene Verwirbelungsmaterial 38, wie in 7 im Querschnitt dargestellt, mit der Innenwand 40 der Bohrung 36 verschmolzen. (Die den Rand des Verwirbelungsmaterials in dieser Schnittansicht definierenden Linien wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen).

In noch einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Verwirbelungsmaterial mit einem Haftmittel kombiniert sein, um Ringe oder "Scheiben" aus dem Material zu bilden. (Ein Bindemittel wird gewöhnlich ebenfalls mit einbezogen). Die spezielle Gestalt der Ringe 50 aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial in 8 und 9 wird von der gewünschten Gestalt der Verwirbelungsflächen abhängen. Beispielsweise könnten anstelle einer kreisförmigen Gestalt vielfältige rechteckige Formen verwendet werden. Alternativ könnte eine Vielfalt von unregelmäßigen Formen verwendet werden, die beispielsweise von jeweiligen Kühlmittelströmungsmodellen abhängen. (Außerdem könnten einzelne Ringe aus dem Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial unterschiedliche Formen aufweisen). Die Ringe können durch eine beliebige unkomplizierte Technik, z.B. Formpressen, geformt werden.

Die Ringe 50 werden anschließend über das abnehmbare Substrat 52 (z.B. einen in 10 und 11 gezeigten zylindrischen Trägerstab) geschoben und entsprechend der für das Verwirbelungsmaterial gewünschten Position positioniert. Die Ringe können an dem Substrat an der vorbestimmten Stelle vorübergehend fixiert werden, bevor sie durch vielfältige Techniken mit der Wand der Durchlassbohrung verschmolzen werden. Als ein Beispiel hierfür könnte das Ringmaterial einem Lösungsmittel ausgesetzt werden, das das Bindemittel in dem Haftmittelmaterial teilweise auflöst und plastifiziert. Diese Behandlung würde bewirken, dass sich die Struktur an die Oberfläche des Substrats anpasst und daran haftet.

Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Dicke oder der Durchmesser des Substrats 52 im Vergleich zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen erheblich reduziert werden kann. Als Folge hiervon ist das nach dem Verschmelzen des Verwirbelungsmaterials mit der Bohrungswand zu entfernende Volumen des Substrats ebenfalls geringer, da das Substrat vorher entfernt werden kann. Dies kann in manchen Fällen ein wesentliches Qualitätsmerkmal des Verfahrens bedeuten.

In einigen Fällen können ferner aus einem zu opfernden Material gefertigte Ringe oder Scheiben über das Substrat geschoben werden. Beispielsweise können zu opfernde Ringe 54, wie in 12 und 13 gezeigt, über die Länge des Stabes 52 (10) im Wechsel mit Ringen 50 aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial aufgeschoben werden. Die zu opfernden Ringe sorgen, wie in 14 gezeigt, für eine gewünschte Trennung zwischen den einzelnen Ringe aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial. Die zu opfernden Ringe 54 sind gewöhnlich aus einem ähnlichen Material wie das Substrat gefertigt, z.B. einem Oxid oder Graphit. Auf diese Weise lassen sich die zu opfernden Ringe ohne weiteres (gemeinsam mit dem Substrat) entfernen, nachdem das Verwirbelungsmaterial mit der Bohrungswand verschmolzen ist. Die Abmessung der zu opfernden Ringe wird weitgehend von der gewünschten Position der benachbarten Ringe aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial 50 abhängen. (Wie in einem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann optional eine gesonderte Haftmittelschicht, z.B. grünes Hartlotband, um den Stab gewickelt oder aufgerollt werden, die die Ringe 50 und 54 bedeckt).

14 und 15 veranschaulichen ein Dorn-/Substratelement 60, das Ringe 50 aus Verwirbelungs- und Haftmittelmaterial und zu opfernde Ringe 54 aufweist. (Die Ringe sind in dieser Veranschaulichung abwechselnd angeordnet, könnten jedoch nach einem beliebigen Muster angeordnet sein). Im zusammengesetzten Zustand lässt sich das Dornelement, wie zuvor beschrieben, in die Durchlassöffnung einführen. Nach dem Einführen kann das Substratelement, d. h. der innenliegende Trägerstab 52, zurückgezogen werden, wobei die Ringe 50 und 54 an deren vorbestimmten Positionen innerhalb der Bohrung verbleiben. 16 und 17 veranschaulichen die Anordnung der Ringe allein, nach dem Entfernen des Trägerstabs 52. Vor der Anwendung von Wärme zum Verschmelzen können die Ringe durch vielfältige Techniken innerhalb der Bohrung vorübergehend an Ort und Stelle gehalten werden. Beispielsweise kann ein Lösungsmittel, das ein jeweiliges Bindemittel in den Ringen teilweise auflöst und plastifiziert in die Bohrung gesprüht werden, um zu bewirken, dass die Ringe an der Bohrungswand haften.

Ein Entfernen des innenliegenden Trägerstabs 52 reduziert die Menge des Materials erheblich, die nach dem Schritt des Verschmelzens zu verbrennen oder in sonstiger Weise zu entfernen ist. Ein herkömmlicher Wärmebehandlungsschritt (z.B. Hartlöten) kann anschließend vorgenommen werden, um das Verwirbelungsmaterial mit der Wand der Durchlassbohrung zu verschmelzen. Die zu opfernden Ringe 54 können anschließend durch eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Techniken entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen, chemisches Auslaugen oder Verbrennen. (Ferner ist zu beachten, dass der innenliegende Trägerstab 52 während des Verschmelzens des Verwirbelungsmaterials in der Durchlassöffnung verbleiben und danach entfernt werden kann, beispielsweise durch die Technik, die zum Entfernen der zu opfernden Ringe verwendet wird) .

In noch einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Substrat eine Metallfolie sein, die aus dem Haftmittelmaterial, z.B. einem Hartlot, geformt ist. Die Folie ist mit einer Fläche bemessen, die ausreicht, um einen Bereich der Innenfläche der Durchlassöffnung zu bedecken, auf dem Verwirbelungsflächen gewünscht sind. Vielfältige Techniken können verwendet werden, um eine derartige Folie herzustellen. Viele davon werden in den beiden zuvor erwähnten Patentanmeldungen S.N. 09/304,276 und S.N. 10/139,659 erläutert. Als ein Beispiel hierfür wird eine Mischung aus Metallpulvermaterial und Bindemittel auf eine entfernbare Trägerfolie foliengegossen. In der Regel, jedoch nicht in allen Fällen, ähnelt das Metallpulver dem Material, aus dem das Bauteil gefertigt ist, in der die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Nach dem Foliengießen wird die Trägerfolie entfernt, und die verbleibende grüne Folie wird anschließend beispielsweise durch die Anwendung einer Vakuumwärmebehandlung zu einer "Vorform"-Folie gesintert.

Als weiteres Beispiel für das Herstellen der Metallfolie kann das Metallpulvermaterial zunächst als eine dünne Schicht aus Metall auf einer Trägerfolie abgeschieden werden. Vielfältige thermische Sprühtechniken werden gewöhnlich zum Abscheiden verwendet, z.B. Vakuumplasmaabscheidung, HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) oder Luftplasmasprühen (AP). Die Trägerfolie wird anschließend entfernt, wobei die gewünscht Metallfolie zurückbleibt. Als noch eine weitere Alternative könnte, wie in der Patentanmeldung S.N. 09/304,276 beschrieben, eine Technik verwendet werden, die amorphe Metallstreifen einsetzt, um die Folie herzustellen.

Das Verwirbelungsmaterial kann in diesem Fall auf eine erste Fläche der Folie in Pulverform aufgetragen werden. (Die Fläche der Folie wird in manchen Fällen zunächst mit einem Haftmittel beschichtet, so dass das Verwirbelungsmaterial an Ort und Stelle bleibt). Darüber hinaus kann das Verwirbelungsmaterial, wie in den erwähnten Patentanmeldungen erörtert, als Struktur auf der Folienfläche angelegt sein. Die Folie wird auf ein Maß zugeschnitten, das ausreicht, um einen gewünschten Bereich der Innenfläche der Durchlassöffnung zu bedecken.

Die Folie kann anschließend aufgerollt werden, um das Substrat, z.B. eine zylindrische Röhre, zu bilden. 18 veranschaulicht eine derartige Röhre oder Spindel 80 mit einer (deren Innenfläche darstellenden) ersten Fläche 82 und einer (deren Außenfläche darstellenden) zweiten Fläche 84. Das in einem aufgeschnittenen Abschnitt der Röhre 80 gezeigte Verwirbelungsmaterial 86 ist auf der Innenfläche 82 abgeschieden. Die Röhre wird zu einem Durchmesser aufgerollt, der ausreichend klein ist, um in die ausgewählte Durchlassöffnung zu passen.

Die Folienröhre 80 kann anschließend in eine Durchlassöffnung eingeführt werden. Wenn sich die Folienröhre in der Bohrung befindet, sollte die elastisch federnde Eigenschaft der Metallfolie bewirken, das sich die Röhre erweitert und die Innenfläche der Bohrung berührt. Das Verwirbelungsmaterial 86 der Innenfläche 82 der Folie ragt ins Innere der Bohrung der Durchlassöffnung, während die Außenfläche 84 der Folie möglichst eng an der Wand anliegt. Vor dem Schmelzschritt kann die Folie durch vielfältige Techniken vorübergehend an Ort und Stelle gehalten werden. Als Beispiele hierfür seien Techniken wie Punktschweißen, Haftschweißen, Verwendung von Klebstoffen und dergleichen genannt. Die Folie und der umgebende Bereich können anschließend, wie zuvor beschrieben, auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um das Verwirbelungsmaterial mit der Bohrungswand zu verschmelzen.

19 zeigt in einer Photographie einen Abschnitt einer Röhre 100 aus einer Superlegierung. Ein Verwirbelungsmaterial 102 wurde auf einer Innenfläche 104 und einer Außenfläche 106 der Röhre mittels einem Hartlotmittel angebracht. (Die vorliegende Erfindung betrifft speziell ein auf der Innenfläche der Röhre angebrachtes Verwirbelungsmaterial). Die Widerstandsfähigkeit des Verwirbelungsmaterials, d.h. dessen Haftung an den Röhrenflächen, ist der Widerstandsfähigkeit von Verwirbelungsmaterial ebenbürtig, das mittels Techniken nach dem Stand der Technik geformt oder aufgetragen wird.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung betrifft ein Bauteil, das ein Grundmaterial umfasst, in dem wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet ist. Wie zuvor beschrieben, kann das Bauteil in Form vieler unterschiedlicher Arten von Bauteilen vorliegen. Häufig handelt es sich um ein Turbinenantriebsbauteil, z.B. eine Turbinenschaufel, die eine Anzahl von radialen Kühlungsbohrungen (z.B. etwa 5 bis etwa 50 Durchlassöffnungen) aufweisen kann. Das Bauteil umfasst ferner Verwirbelungsmaterial, z.B. eine Metalllegierung, die in wenigstens einem Bereich an die Innenfläche der Durchlassöffnung gebunden ist. Das Verwirbelungsmaterial ragt aus der Innenfläche heraus, d. h. in den Pfad der Bohrung hinein, und bildet gewöhnlich mehrere Vorsprünge. Die Vorsprünge können nach einem vorgegebenen Muster angeordnet sein, und deren Abmessung und Gestalt können nach Belieben angepasst werden. Wie oben erörtert, dienen die Vorsprünge, falls die Durchlassöffnungen als Kühlungsbohrungen wirken sollen, in der Regel dazu, die Wärmeübertragung zu verbessern. 20 veranschaulicht einen ausgeschnittenen Abschnitt einer Hartlotfolie 120, die Verwirbelungsmaterial 122 aufweist. Wie oben erwähnt, wird das Verwirbelungsmaterial innerhalb des verfestigten Hartlotmatrixmaterials mechanisch fixiert.

Die nachfolgenden Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollten in keiner Weise als beschränkend für den Schutzumfang der vorliegende Erfindung gewertet werden. Sämtliche Mengenanteile sind, sofern nicht anders lautend angezeigt, in Gewichtsprozent angegeben.

Ein Verwirbelungsmaterial wurde auf der Innenfläche mehrerer Rohre aus rostfreiem Stahl angebracht. In jeder Ausprägung wurde ein handelsübliches foliengegossenes grünes Hartlotband, nämlich Amdry^®100, verwendet (Zusammensetzung: 10 Gew.-% Silizium; 19 Gew.-% Chrom, Rest Nickel). Das Band wies eine Dicke von etwa 75–125 &mgr;m auf und wurde sehr dünn mit einem organischen Klebstoff beschichtet. Als das Verwirbelungsmaterial wurde ein grobes Bindungsschichtpulver aus NiCrAlY verwendet, mit einer ungefähren Zusammensetzung von 68 Gew.-% Ni, 22 Gew.-% Cr, 9 Gew.-% Al und 1 Gew.-% Y. Das Pulver wies eine 50–80 Maschen entsprechende durchschnittliche Partikelgröße (mittleren Durchmesser), d.h. 180–300 &mgr;m, und wurde manuell auf der Oberfläche des Hartlotbands aufgetragen. Für einige der Proben wurde das Verwirbelungsmaterialpulver nach einem Muster auf der Oberfläche des Bandes aufgetragen.

Jedes Band wurde in jeweils eines der Rohre (Innendurchmesser 0,25 Zoll bzw. 0,64 cm) eingebracht. Das Band wurde anschließend innerhalb der Röhre hartgelötet, indem die Röhre für etwa 30 Minuten in einem Vakuumofen plaziert wurde, der für Bedingungen von etwa 2150°F (1177°C (10⁵ Torr) sorgte. Das Hartlöten diente dazu, das Verwirbelungsmaterial sicher mit der Innenfläche des Rohrs zu verschmelzen.

Das Verwirbelungsmaterial verlieh der Innenfläche des Rohrs eine raube Oberfläche. Der Ra-Wert betrug etwa 2,7 tausendstel Zoll (68,6 &mgr;m), und der Rz-Wert betrug etwa 13,5 tausendstel Zoll (343 &mgr;m). Dieses Rauheitsprofil dient zur Verbesserung der Wärmeabfuhr durch die Röhre.

Nachdem bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können dem Fachmann alternative Ausführungsbeispiele klar werden, ohne dass dies den Schutzumfang dieser Erfindung berührt. Dementsprechend versteht sich, dass der Schutzumfang dieser Erfindung lediglich durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt sein soll.

Sämtliche der oben erwähnten Patente, Veröffentlichungen und Texte sind durch Bezugnahme mit aufgenommen.