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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer
Gasturbine.
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Moderne
Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im
Hinblick auf Zuverlässigkeit,
Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden.
In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor
Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht
werden und ein hohes Maß an
technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken
spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen,
geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren
eine entscheidende Rolle.
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Die
wichtigsten, heutzutage für
Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe
sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen
genannt) und hochfeste Stähle. Die
hochfesten Stähle
werden für
Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet.
Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen
sind für
die heißen
Teile des Flugtriebwerks geeignet.
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Bei
der Fertigung bzw. Herstellung von Bauteilen ausgehend von metallischen
oder auch keramischen Pulvern stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine
interessante Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist
mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen
oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet. Mit dem pulvermetallurgischen
Spritzgießen
können
Bauteile hergestellt werden, die fast die volle Dichte sowie annähernd die
statische Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Die gegenüber Schmiedeteilen
in der Regel verringerte dynamische Festigkeit kann durch geeignete
Werkstoffauswahl kompensiert werden.
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So
zeigt
DE 36 08 095
A1 ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln
oder -rädern
aus Sinterformteilen aus Metall durch Spritzgießen einer Masse, die Bindemittel
und Gleitmittel enthält.
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Beim
pulvermetallurgischen Spritzgießen wird
nach dem Stand der Technik in groben Zügen so vorgegangen, dass in
einem ersten Verfahrensschritt ein Pulver, vorzugsweise ein Metallpulver,
Hartmetallpulver oder auch Keramikpulver, mit einem Bindemittel
und gegebenenfalls einem Plastifizierer sowie gegebenenfalls weiteren
Additiven zu einer homogenen Masse vermischt wird. Aus dieser homogenen Masse
werden durch Spritzgießen
Formkörper
gefertigt. Die spritzgegossenen Formkörper besitzen bereits die geometrische
Form des herzustellenden Bauteils, ihr Volumen ist jedoch um das
Volumen des zugesetzten Bindemittels und Plastifizierungsmittels vergrößert. Den
spritzgegossenen Formkörpern
wird in einem Entbindungsprozess das Bindemittel sowie Plastifizierungsmittel
entzogen. Darauffolgend wird während
des Sinterns der Formkörper
zum fertigen Bauteil verdichtet bzw. geschrumpft. Während des Sinterns
verkleinert sich das Volumen des Formkörpers, wobei entscheidend ist,
dass die Dimensionen des Formteils in allen drei Raumrichtungen
kontrolliert schwinden müssen.
Der lineare Schwund des Volumens beträgt abhängig vom Bindemittel- und Plastifizierungsmittelgehalt
zwischen 10% und 20%.
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Mit
einem derartigen MIM-Verfahren lassen sich z.B. Leitschaufeln für eine Gasturbine
herstellen, wobei die hergestellten Bauteile durch ein sehr gleichmäßiges Gefüge bei geringer
Fehlergröße gekennzeichnet
sind. Zur Bereitstellung einer ausreichenden Korrosionsbeständigkeit,
Oxidationsbeständigkeit
oder auch Erosionsbeständigkeit
müssen durch
MIM-Verfahren hergestellte
Gasturbinenbauteile, insbesondere hergestellte Leitschaufeln, jedoch an
ihrer Oberfläche
mit speziellen Beschichtungen versehen werden. Das Beschichten von über pulvermetallurgisches
Spritzgießen
hergestellten Bauteilen zur Gewährleistung
eines ausreichenden Verschleißschutzes,
insbesondere optimierter Festigkeitseigenschaften sowie Korrosionseigenschaften
an deren Oberflächen,
durch einen separaten Beschichtungsprozess ist jedoch aufwendig
und teuer.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine
zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer
Gasturbine im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) durch Mischen
eines ersten Metallpulvers mit zumindest einem Bindemittel wird
eine erste homogene Masse bereitgestellt; b) durch Mischen eines zweiten
Metallpulvers mit zumindest einem Bindemittel wird eine zweite homogene
Masse bereitgestellt, wobei das zweite Metallpulver eine geringere
bzw. kleine Korngröße aufweist
als das erste Metallpulver; c) anschließend wird aus der ersten homogenen Masse
durch Spritzgießen
ein Zwischenformkörper gefertigt;
d) darauffolgend wird durch Spritzgießen mit der zweiten homogenen
Masse der Zwischenformkörper
zur Bereiststellung eines Endformkörpers derart umspritzt, dass
die zweite homogene Masse im Bereich einer Außenfläche bzw. Oberfläche des Endformkörpers angeordnet
ist; e) der Endformkörper
wird darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen; f) im An schluss
wird durch Sintern der Endformkörper
zu einem Bauteil mit gewünschten geometrischen
Eigenschaften verdichtet bzw. geschrumpft.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, beim pulvermetallurgischen Spritzgießen durch
eine gezielte Änderung
der Korngröße des verwendeten
Metallpulvers bzw. Ausgangspulvers das Gefüge des durch Spritzgießen herzustellenden
Formkörpers,
und damit das Gefüge des
herzustellenden Bauteils so einzustellen, dass das mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte
Bauteil im Inneren ein relativ grobes Gefüge und in oberflächennahen
Zonen bzw. an einer Außenfläche ein
relativ feines Gefüge
aufweist. Durch das relativ feine Gefüge an den oberflächennahen
Zonen kann bereits ein guter Verschleißschutz, insbesondere eine
gute Korrosionsbeständigkeit,
des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellten Bauteils realisiert werden, ohne dass eine separate
Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht werden muss. Im Sinne der
hier vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung des Formköpers, welcher
zur Herstellung von Bauteilen mit Hilfe des pulvermetallurgischen
Spritzgießens
benötigt
wird, zweistufig vorgegangen. In einer ersten Stufe wird ein Zwischenformkörper aus
einer ersten homogenen Masse hergestellt, wobei die erste homogene Masse
unter Verwendung eines relativ grobkörnigen Metallpulvers hergestellt
wird. Dieser Zwischenformkörper
wird durch Spritzgießen
von einer zweiten homogenen Masse umschlossen, wobei die zweite
homogene Masse unter Verwendung eines relativ feinkörnigen Metallpulvers
hergestellt wird. Das Metallpulver zur für die zweite homogene Masse
weist also eine geringere bzw. kleine Korngröße auf als das Metallpulver
für die
erste homogene Masse. Der so bereitgestellte Endformkörper wird
dann zur Herstellung des endgültigen
Bauteils einem Entbindungsprozess sowie anschließend einem Sintern unterzogen.
Hierdurch wird sichergestellt, dass sich ein integraler, fester
Verbund und auf der Außenseite
bzw. in oberflächennahen
Zonen des herzustellenden Bauteils ein gegenüber dem Inneren des Bauteils
relativ feinkörniges,
metallurgisches Gefüge
einstellt.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrensschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine durch pulvermetallurgisches
Spritzgießen.
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Die
hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen
vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks
oder auch einer stationären
Gasturbine, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird
auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf 1 werden nachfolgend die einzelnen
Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
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In
einem Schritt 10 wird ein erstes Metallpulver, Hartmetallpulver
oder Metalllegierungspulver bereitgestellt. In einem Schritt 11 werden
ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel bereitgestellt. Das
im Verfahrensschritt 10 bereitgestellte, erste Metallpulver
sowie das im Verfahrensschritt 11 bereitgestellte Bindemittel
und Plastifizierungsmittel werden im Verfahrensschritt 12 gemischt,
so dass sich eine erste homogene Masse ausbildet.
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Weiterhin
wird in einem Schritt 13 ein zweites Metallpulver, Hartmetallpulver
oder Metalllegierungspulver bereitgestellt. In einem Schritt 14 werden
ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel bereitgestellt.
Das im Verfahrensschritt 13 bereitgestellte, zweite Metallpulver
sowie das im Verfahrensschritt 14 bereitgestellte Bindemittel
und Plastifizierungsmittel werden im Verfahrensschritt 15 gemischt,
so dass sich eine zweite homogene Masse ausbildet.
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Das
im Schritt 10 bereitgestellte, erste Metallpulver sowie
das im Schritt 13 bereitgestellte, zweite Metallpulver
verfügen
vorzugsweise über
eine gleiche bzw. identische oder zumindest eine ähnliche,
metallurgisch kompatible Zusammensetzung, die auf den gewünschten
Grundwerkstoff des herzustellenden Bauteils abgestimmt ist. Das
im Schritt 10 bereitgestellte erste Metallpulver sowie
das im Schritt 13 bereitgestellte zweite Metallpulver unterscheiden sich
im Sinne der hier vorliegenden Erfindung im Wesentlichen lediglich – aber nicht
notwendigerweise ausschließlich – durch
ihre Korngröße, wobei
das im Schritt 13 bereitgestellte zweite Metallpulver eine
gegenüber
dem im Schritt 10 bereitgestellten ersten Metallpulver
kleinere bzw. feinere Korngröße verfügt. Die
in den Schritten 11 und 14 bereitgestellten Bindemittel
bzw. Plastifizierungsmittel können
identisch sein.
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Der
Volumenanteil der Metallpulver in der homogenen Massen beträgt vorzugsweise
zwischen 50% und 70%. Der Anteil von Bindemittel und Plastifi zierungsmittel
an der homogenen Masse schwankt demnach in etwa zwischen 30% und
50%.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die im Verfahrensschritt 12 bereitgestellte,
erste homogene Masse aus dem ersten Metallpulver, Bindemittel und
gegebenenfalls Plastifizierungsmittel im Sinne des Verfahrensschritt 17 durch
Spritzgießen weiterverarbeitet.
Beim Spritzgießen
wird ein Zwischenformkörper
bzw. ein Zwischengrünling
gefertigt. Dieser Zwischenformkörper
dient der Bildung des Inneren des herzustellenden Bauteils. Im Sinne der
hier vorliegenden Erfindung wird der im Verfahrensschritt 17 bereitgestellte
Zwischenformkörper bzw.
Zwischengrünling
vorzugsweise anschließend im
Sinne des Schritts 18 einem zumindest teilweisen Entbindungsprozess
sowie gegebenenfalls einem Vorsintern unterzogen.
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Darauffolgend
wird unter Verwendung der im Verfahrensschritt 15 bereitgestellten,
zweiten homogenen Masse im Schritt 19 der zumindest teilweise entbinderte
sowie gegebenenfalls vorgesinterte Zwischenformkörper durch Spritzgießen mit
der zweiten homogenen Masse umspritzt, so dass sich ein Endformkörper bzw.
ein Endgrünling
ausbildet. Bedingt dadurch, dass die zweite homogene Masse unter Verwendung
eines feinkörnigeren
Metallpulvers hergestellt wurde wie die erste homogene Masse, verfügt der so
bereitgestellte Endformkörper
im Inneren über
ein relativ grobkörniges
Gefüge,
an den oberflächennahen
Zonen bzw. an der Außenfläche verfügt derselbe
hingegen über
ein relativ feinkörniges
Gefüge.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, bei der
Herstellung des Formkörpers
bzw. Grünlings
zur Herstellung eines Bauteils durch gezielte Änderung der Korngröße des Metallpulvers
das Gefüge
des Formkörpers
bzw. Grünlings
und damit auf das Gefüge
des herzustellenden Bauteils gezielt so einzustellen, dass an der
Oberfläche
bzw. Außenfläche bzw.
in oberflächennahen
Zonen des Formkörpers
bzw. Grünlings
und damit letztendlich des herzustellenden Bauteils ein feineres
Gefüge
vorliegt als im Inneren desselben. Durch das relativ feine bzw. feinkörnige Gefüge an der
Oberfläche
des hergestellten Bauteils verfügt
dasselbe bereits im Hinblick auf Verschleißschutz, Festigkeitsschutz,
Erosionsschutz, Korrosionsschutz oder auch Oxidationsschutz über eine
optimierte Gefügezusammensetzung.
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Der
im Schritt 19 hergestellte Endformkörper bzw. Grünling weist
alle typischen Merkmale des herzustellenden Bauteils auf. Insbesondere
verfügt
derselbe über
die geometrische Form des zu fertigenden Bauteils. Er verfügt jedoch über ein
um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen.
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Im
nachgeschalteten Schritt 20 wird das Bindemittel und das
Plastifizierungsmittel aus dem Endformkörper ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 20 kann
man auch als Entbindungsprozess bezeichnen. Das Austreiben von Bindemittel
und Plastifizierungsmittel kann auf unterschiedliche Art und Weise
erfolgen. Üblicherweise
erfolgt dies durch fraktionierte, thermische Zersetzung bzw. Verdampfung.
Eine weitere Möglichkeit
besteht durch Heraussaugen der thermisch verflüssigten Binde- und Plastifizierungsmittel
durch Kapillarkräfte,
durch Sublimation oder durch Lösungsmittel.
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Im
Anschluss an den Entbindungsprozess im Sinne des Schritts 20 wird
der Endformkörper
im Sinne des Schritts 21 gesintert. Während des Sinters wird derselbe
zu dem Bauteil mit den endgültigen, geometrischen
Eigenschaften verdichtet bzw. geschrumpft. Während des Sinters verkleinert
sich demnach der Formkörper,
wobei die Dimensionen des Formkörpers
in allen drei Raumrichtungen idealerweise gleichmäßig bzw.
kontrolliert schwinden müssen.
Der lineare Schwund beträgt
abhängig
vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen
10% und 20%. Das Sintern kann unter verschiedenen Schutzgasen oder
unter Vakuum durchgeführt
werden.
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Nach
dem Sintern liegt das fertige Bauteil vor, was in 1 durch
den Schritt 22 dargestellt ist. Falls erforderlich, kann
nach dem Sintern (Schritt 21) das Bauteil noch einem Veredelungsprozess
im Sinne des Schritts 23 unterzogen werden. Der Veredelungsprozess
ist jedoch optional. Es kann bereits auch unmittelbar nach dem Sintern
ein einbaufertiges Bauteil vorliegen.
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Wie
oben bereits im Detail beschrieben, kann mit Hilfe des bislang beschriebenen,
erfindungsgemäßen Verfahrens
durch gezielte Anpassung der Korngröße des verwendeten Metallpulvers für die oberflächennahen
Bereiche des herzustellenden Formkörpers und damit letztendlich
des herzustellenden Bauteils bereits ein Bauteil mit optimierten Verschleißschutzeigenschaften,
insbesondere optimierten Korrosionsschutzeigenschaften, bereitgestellt
werden.
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Eine
weitere Optimierung der Korrosionsschutzbeständigkeit des herzustellenden
Bauteils kann dadurch erzielt werden, dass im Schritt 15 des erfindungsgemäßen Verfahrens,
also beim Mischen des im Schritt 13 bereitgestellten zweiten
Metallpulvers mit dem im Schritt 14 bereitgestellten Bindemittel
und Plastifizierungsmittel, mindestens ein im Sinne des Schritt 16 bereitgestelltes,
zusätzliches
Element zugegeben wird.
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So
liegt es z.B. im Sinne der hier vorliegenden Erfindung beim Mischen
des zweiten, relativ feinkörnigen
Metallpulvers mit dem Bindemittel mindestens ein Element der seltenen
Erden, vorzugsweise Yttrium (Y), zuzugeben. Alternativ oder zusätzlich ist es
auch möglich,
beim Mischen des zweiten Metallpulvers mit dem ersten Bindemittel
im Sinne des Schritts 15 zur Bereitstellung der zweiten
homogenen Masse mindestens ein Metall der Platingruppe, vorzugsweise
Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd), zuzugeben. Zusätzlich oder
alternativ zu den oben erwähnten
Elementen kann beim Mischen des zweiten Metallpulvers mit dem Bindemittel
zur Bereitstellung der zweiten homogenen Masse auch ein Metall zugegeben
werden, welches eine korrosionsbeständigkeitserhöhende Wirkung
aufweisen. Insbesondere kann Chrom (Cr) und/oder Aluminium (Al) und/oder
Silizium (Si) beim Herstellen der zweiten homogenen Masse im Sinne
des Schritts 15 zugegeben werden.
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Die
Zugabe dieser im Sinne des Schritts 16 bereitgestellten,
zusätzlichen
Elemente erfolgt dabei in relativ geringen Prozentsätzen von
ca. 0,1% bis 2%. Wie bereits erwähnt,
kann durch die Zugabe der zusätzlichen
Elemente zur Bereitstellung der zweiten homogenen Masse das Verschleißschutzverhalten, insbesondere
die Korrosionsbeständigkeit,
der Oberflächenbereiche
des herzustellenden Bauteils nochmals optimiert werden.
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Das
erfindungsgemäße verfahren
führt in wenigen
Arbeitsschritten zu Bauteilen, die für den Einsatz in einem Triebwerk
bzw. einem Verdichter einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks oder
einer stationären
Gasturbine, optimale Eigenschaften, insbesondere optimale Verschleißschutzeigenschaften,
aufweisen.
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- 10
- Schritt
- 11
- Schritt
- 12
- Schritt
- 13
- Schritt
- 14
- Schritt
- 15
- Schritt
- 16
- Schritt
- 17
- Schritt
- 18
- Schritt
- 19
- Schritt
- 20
- Schritt
- 21
- Schritt
- 22
- Schritt
- 23
- Schritt