DE102004029789A1

DE102004029789A1 - Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine sowie Bauteil einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102004029789A1
Application number: DE102004029789A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. Müller; Albin Platz
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2006-01-05
Also published as: US20070017817A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Ein Bauteil wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess (MIM-Prozess) hergestellt; b) anschließend wird das durch den Metal Injection Moulding-Prozess hergestellte Bauteil an seiner Oberfläche durch einen Precise EletroChemical Machining-Prozess (PECM-Prozess) fertig bearbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil einer Gasturbine.
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.

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. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Bauteile für einen Verdichter, sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.

Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen 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.

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 und 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 Sinters der Formkörper zum fertigen Bauteil verdichtet bzw. geschrumpft. Während des Sinters 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%.

Mit dem Metal Injection Moulding-Verfahren können bereits für Anwendungen in der Konsumindustrie und Elektronik sowie im Automobilbau und Maschinenbau Bauteile mit einer hinreichend hohen Qualität hergestellt werden. Für das pulvermetallurgische Spritzgießen kann jedoch die sogenannte absolute Net-Shape-Formtreue problematisch sein; d.h. zum Beispiel für Anwendungen im Gasturbinenbau mit höchsten Toleranzanforderungen ist das Einhalten enger Toleranzen für dünnwandige Bauteile oder mit einer komplexen dreidimensionalen Oberflächenkontur nach dem heutigen Stand nur unzureichend möglich, sodass für derartige Bauteile eine aufwendige Nacharbeitung erforderlich ist. Insbesondere bereitet beispielsweise die Net-Shape-Herstellung von bestimmten Schaufelblattgeometrien von Leitschaufeln oder Laufschaufeln einer Gasturbine sowie die Herstellung dünnwandiger Wabendichtungen mit der MIM-Technologie Probleme.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) ein Bauteil wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess (MIM- Prozess) hergestellt; b) anschließend wird das durch den Metal Injection Moulding-Prozess hergestellte Bauteil an seiner Oberfläche durch einen Precise Electrochemical Machining-Prozess (PECM-Prozess) fertig bearbeitet.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird zur Fertigung von Gasturbinenbauteilen vorgeschlagen, in einem ersten Schritt das Bauteil mithilfe eines MIM-Prozesses bzw. des pulvermetallurgischen Spritzgießens herzustellen und anschließend die Oberfläche des so hergestellten Bauteils durch einen PECM-Prozess fertig zu bearbeiten. Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Kombination eines MIM-Prozesses mit nachgeschaltetem PECM-Prozess dünnwandige Gasturbinenbauteile mit komplexer, dreidimensionaler Oberflächenkontur besonders vorteilhaft hergestellt werden können. Durch den MIM-Prozess wird am hergestellten Bauteil ein gleichmäßiges Gefüge mit gezielter Korngröße bereitgestellt, was die mit einem PECM-Prozess erzielbare Bearbeitungsgüte, insbesondere die erzielbare Oberflächenqualität, positiv beeinflusst. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, Gasturbinenbauteile durch eine Kombination eines MIM-Prozesses mit einem PECM-Prozess zu fertigen. Hierdurch werden die Potentiale beider Prozesse vorteilhaft miteinander kombiniert.

Das erfindungsgemäße Gasturbinenbauteil ist im unabhängigen Patentanspruch 16 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Metal Injection Moulding-Prozesses.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Fertigung von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks oder auch einer stationären Gasturbine.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, Gasturbinenbauteile, insbesondere dünnwandige Gasturbinenbauteile und/oder Gasturbinenbauteile mit einer komplexen, eng tolerierten, dreidimensionalen Oberflächenkontur dadurch zu fertigen, dass in einem ersten Schritt des er findungsgemäßen Verfahrens das Bauteil durch pulvermetallurgisches Spritzgießen bzw. einen MIM-Prozess hergestellt wird, und dass im Anschluss die Oberfläche des durch den MIM-Prozess hergestellten Bauteils durch einen PECM-Prozess bearbeitet wird.

Die Bauteile werden mithilfe des MIM-Prozesses mit geringem Aufmaß von bis zu 0,5 mm hergestellt. Durch ein derart geringes Aufmaß können dann im Anschluss kurze PECM-Prozesszeiten realisiert werden.

Obwohl die Details des Metal Injection Moulding (MIM) sowie des Electro-Chemical Machining (PECM) dem hier angesprochenen Fachmann geläufig sind, soll der Vollständigkeit halber nachfolgend kurz auf diese beiden Prozesse eingegangen werden.

Unter Bezugnahme auf 1 werden die einzelnen Verfahrensschritte des pulvermetallurgischen Spritzgießens bzw. MIM-Prozesses erläutert. In einem ersten Schritt 10 wird ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder Keramikpulver bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 11 werden ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel sowie ggf. Additive bereitgestellt. Das im Verfahrensschritt 10 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 11 bereitgestellte Bindemittel und Plastifizierungsmittel sowie ggf. die Additive werden im Verfahrensschritt 12 gemischt, so dass sich eine homogene Masse ausbildet. Der Volumenanteil des Metallpulvers in der homogenen Masse beträgt dabei vorzugsweise zwischen 50% und 70%. Der Anteil von Bindemittel und Plastifizierungsmittel an der homogenen Masse schwankt demnach in etwa zwischen 30% und 50%. Diese homogene Masse aus Metallpulver, Bindemittel und Plastifizierungsmittel wird im Sinne des Schritts 13 durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Beim Spritzgießen werden Formkörper gefertigt. Diese Formkörper weisen schon alle typischen Merkmale der herzustellenden Bauteile auf. Insbesondere verfügen die Formkörper über die geometrische Form des zu fertigenden Bauteils. Sie verfügen jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen. Im nachgeschalteten Schritt 14 wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 14 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. Im Anschluss an den Entbindungsprozess im Sinne des Schritts 14 werden die Formkörper im Sin ne des Schritts 15 gesintert. Während des Sinters werden die Formkörper zu den Bauteilen mit den entgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet bzw. geschrumpft. Während des Sinters verkleinern sich demnach die Formkörper, wobei die Dimensionen der Formkörper 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. Nach dem Sintern liegt das Bauteil vor, was in 1 durch den Schritt 16 dargestellt ist. Beim MIM-Prozess findet als Metallpulver zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen ein Metalllegierungspulver Verwendung, wobei abhängig vom herzustellenden Bauteil entweder ein Nickelbasislegierungspulver, Stahllegierungspulver oder ein Titanbasislegierungspulver verwendet wird. Darüber hinaus können auch intermetallische Legierungspulver, z.B. TiAl-Legierungspulver, oder Keramikpulver eingesetzt werden.
Beim Precise ElectroChemical Machining-Prozess (PECM-Prozess) handelt es sich um ein elektrochemisches Abtragverfahren, mit welchem eine wesentlich bessere bzw. höhere Präzision erzielt werden kann als beim klassischen ECM-Prozess. Beim PECM-Prozess handelt es sich um ein elektrochemisches Abtragverfahren mit einer vorzugsweise vibrierenden Elektrode, wobei zwischen die Elektrode und eine Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils eine vorzugsweise pulsierende Gleichspannung angelegt wird. Hierdurch kann an der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils ein Materialabtrag realisiert werden. Beim PECM-Prozess werden geringe Spaltmaße zwischen der Elektrode und der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils eingehalten, wobei die Spaltmaße gegenüber dem klassischen ECM-Prozess bis auf ca. 10 μm reduziert werden können. Da bei derart geringen Spalten die notwendige Spülung des Spalts mit frischen Elektrolyt nicht mehr realisiert werden kann, werden das Abtragen sowie Spülen hintereinander durchgeführt. Das Abtragen findet bei engstmöglichem Spalt statt, das Spülen bei größtmöglichem Spalt. Dies resultiert letztendlich in einer vibrierenden bzw. oszillierenden Elektrodenbewegung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Bauteile gefertigt, deren Toleranz innerhalb eines Bereichs von ± 100 μm, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von ± 50 μm, insbesondere innerhalb eines Bereichs von ± 25 μm liegen. Nach dem MIM-Prozess liegen Bauteile vor, deren Korngröße im Bereich zwischen 2 μm bis 100 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 μm bis 50 μm, liegt. Entsprechend bildet sich die Oberflächenrauhigkeit aus. Nach dem PECM-Prozess beträgt die Oberflächenrauhigkeit des Bauteils weniger als 1 μm.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wie bereits erwähnt, insbesondere zur Herstellung von dünnwandigen Gasturbinenbauteilen uns/oder von Gasturbinenbauteilen mit einer komplexen, dreidimensionalen sowie eng tolerierten Oberflächenkontur. Bevorzugt werden beispielsweise Leitschaufeln oder auch Laufschaufeln mit dünnwandigen, komplex geformten Schaufelblättern sowie Dichtungssegmente für Flugtriebwerke hergestellt.

10: Schritt
11: Schritt
12: Schritt
13: Schritt
14: Schritt
15: Schritt
16: Schritt

Claims

Verfahren zum Fertigen von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit folgenden Schritten: a) ein Bauteil wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess (MIM-Prozess) hergestellt, b) anschließend wird das durch den Metal Injection Moulding-Prozess hergestellte Bauteil an seiner Oberfläche durch einen Precise ElectroChemical Machining-Prozess (PECM-Prozess) fertig bearbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Toleranzmaße des so gefertigten Bauteils innerhalb eines Bereichs von ± 100 μm liegen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Toleranzmaße des so gefertigten Bauteils innerhalb eines Bereichs von ± 50 μm liegen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Toleranzmaße des so gefertigten Bauteils innerhalb eines Bereichs von ± 25 μm liegen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße an der durch den Precise Electrochemical Machining-Prozess zu bearbeitenden Oberfläche des durch den Metal Injection Moulding-Prozess hergestellten Bauteils zwischen 2 μm und 100 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße an der durch den Precise ElectroChemical Machining-Prozess zu bearbeitenden Oberfläche des durch den Metal Injection Moulding-Prozess hergestellten Bauteils zwischen 5 μm und 50 μm liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit des fertigen Bauteils nach dem Precise ElectroChemical Machining-Prozess kleiner als 1 μm ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Metal Injection Moulding-Prozess zur Herstellung des Bauteils als Metallpulver ein Metalllegierungspulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierungspulver ein Nickelbasislegierungspulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierungspulver ein Stahllegierungspulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierungspulver ein Titanbasislegierungspulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierungspulver ein intermetallisches Legierungspulver, insbesondere ein TiAl-Legierungspulver, verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein dünnwandiges Bauteil für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, mit einer komplexen dreidimensionalen und/oder eng tolerierten Oberflächenkontur hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtsegment für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, hergestellt wird.
Bauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks oder einer stationären Gasturbine, wobei dasselbe durch einen Metal Injection Moulding-Prozess (MIM-Prozess) hergestellt und anschließend an seiner Oberfläche durch einen Precise Electrochemical Machining-Prozess (PECM-Prozess) fertig bearbeitet ist.
Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Toleranzmaße des Bauteils in einem Bereich von ± 100 μm, insbesondere in einem Bereich von ± 50 μm, insbesondere in einem Bereich von ± 25 μm liegen.
Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit des fertigen Bauteils nach dem Precise ElectroChemical Machining-Prozess kleiner als 1 μm ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauteils eine Metalllegierung, insbesondere eine Nickelbasislegierung oder eine Titanbasislegierung oder eine Stahllegierung oder eine intermetallische Legierung, ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe als dünnwandiges Gasturbinenbauteil mit einer komplexen dreidimensionalen und/oder eng tolerierten Oberflächenkontur ausgebildet ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe als Leitschaufel oder eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, ausgebildet ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe als Dichtsegment für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, ausgebildet ist.