DE102004057360A1

DE102004057360A1 - Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung sowie Wabendichtung

Info

Publication number: DE102004057360A1
Application number: DE102004057360A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier; Wilfried Dr. Smarsly
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-11-27
Filing date: 2004-11-27
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-28
Also published as: DE102004057360B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Wabendichtung bzw. eines Wabendichtungssegments (10), mit folgenden Schritten: a) Mindestens eine Basisstruktur (11) der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess hergestellt, b) mindestens eine Wandstruktur (12) der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird durch einen Siebdruck-Prozess hergestellt, c) zur Bereitstellung der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird mindestens eine Basisstruktur (11) mit mindestens einer Wandstruktur (12) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Wabendichtung.

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 stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine 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 Ke ramikpulver, 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.

Mit dem Metal Injection Moulding-Verfahren können bereits für Anwendungen in der Konsumindustrie und Elektronik sowie im Automobilbau, Maschinenbau und der Medizintechnik Bauteile mit einer hinreichend hohen Qualität hergestellt werden. Mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießen ist jedoch die Herstellung dünnwandiger Bauteile nach dem heutigen Stand nur unzureichend möglich. Insbesondere bereitet die Herstellung dünnwandiger Wabendichtungen mit der MIM-Technologie Probleme.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen von Wabendichtungen und eine neuartige Wabendichtung zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Fertigen von Wabendichtung im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) mindestens eine Basisstruktur einer Wabendichtung bzw. eines Wabendichtungssegments wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess hergestellt, b) mindestens eine Wandstruktur der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird durch einen Siebdruck-Prozess hergestellt, c) zur Bereitstellung der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird mindestens eine Basisstruktur mit mindestens einer Wandstruktur verbunden.

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:
1 eine schematisierte Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Wabendichtungssegments;
2 das Detail II des Wabendichtungssegments der 1;
3 ein alternatives Detail des Wabendichtungssegments; und
4 ein weiteres alternatives Detail des Wabendichtungssegments.
1 zeigt eine schematisierte, perspektivische Seitenansicht eines Wabendichtungssegments 10, welches aus einer Basisstruktur 11 und einer Wandstruktur 12 gebildet ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, ein derartiges Wabendichtungssegment 10 dadurch herzustellen, dass die Basisstruktur 10 mit Hilfe des pulvermetallurgischen Spritzgießens bzw. mit Hilfe eines Metal Injection Moulding-Prozesses hergestellt wird. Die Wandstruktur 12 hingegen wird mit Hilfe eines Siebdruck-Prozesses, nämlich in Pulvermetallsiebdrucktechnik, hergestellt. Die mit Hilfe eines Metal Injection Moulding-Prozesses hergestellte Basisstruktur 11 sowie die mit Hilfe eines Siebdruck-Prozesses hergestellte Wandstruktur 12 werden zur Bereitstellung des Wabendichtungssegments 10 dauerhaft bzw. fest miteinander verbunden.
Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Wabendichtungen mit einer Wanddicke in der Größenordnung von 0,1 mm in der sogenannten MIM-Technologie nicht mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden können. Demnach schlägt die Erfindung vor, lediglich die Basisstruktur der Wabendichtung mit Hilfe eines MIM-Prozesses herzustellen, wobei die eigentliche Wandstruktur mit Hilfe der Pulvermetallsiebdruck-Technologie hergestellt wird.
Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, verfügt die mit Hilfe eines MIM-Prozesses hergestellte Basisstruktur 10 über sockelartige Vorsprünge 13, die der Aufnahme der Wandstruktur 12 dienen. Die sockelartigen Vorsprünge 13 definieren demnach bereits die geometrische Struktur der Wabendichtung. Die auf die sockelartigen Vorsprünge 13 positionierte Wandstruktur 12 verfügt über eine geringere Wanddicke als die sockelartigen Vorsprünge 13 und kann aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein, wie die Basisstruktur 11.
Obwohl die Details des pulvermetallurgischen Spritzgießens bzw. der MIM-Technologie sowie die Details des Pulvermetallsiebdrucks dem hier angesprochenen Fachmann geläufig sind, soll der Vollständigkeit halber nachfolgend kurz auf die beiden Prozesse eingegangen werden.
Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen wird ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder Keramikpulver bereitgestellt und mit einem Bindemittel sowie gegebenenfalls einem Plastifizierungsmittel sowie möglicherweise weiteren Additiven gemischt. Das Metallpulver, Bindemittel, Plastifizierungsmittel und gegebenenfalls die Additive werden zu einer homogenen Masse verarbeitet, wobei der Volumenanteil des Metallpulvers in der homogenen Masse vorzugsweise zwischen 50 % und 70 % beträgt. Der Anteil des Bindemittels und Plastifizierungsmittels sowie gegebenenfalls der Additive an der homogenen Masse schwankt demnach zwischen 30 % und 50 %. Diese homogene Masse aus Metallpulver, Bindemittel, Plastifizierungsmittel sowie gegebenenfalls Additiven wird dann durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Beim Spritzgießen werden Formkörper gefertigt. Diese Formköper weisen bereits alle typischen Merkmale der herzustellenden Bauteile, nämlich der hier herzustellenden Basisstruktur 11, auf. Insbesondere verfügen die Formkörper über die geometrische Form der in MIM-Technologie herzustellenden Basisstruktur 11. Die Formkörper verfügen jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen. Nachfolgend wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern ausgetrieben. Dies bezeichnet man auch als Entbindungsprozess. Das Austreiben des Bindemittels und Plastifizierungsmittels kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, zum Beispiel durch eine fraktionierte, thermische Zersetzung bzw. Verdampfung. Im Anschluss an das Austreiben des Bindemittels und Plastifizierungsmittels werden die Formkörper gesintert. Während des Sinterns werden die Formkörper zu den Bauteilen mit den entgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet bzw. verschrumpft. Während des Sinterns verkleinern sich demnach die Formkörper, wobei die Dimensionen der Formkörper in allen drei Raumrichtungen idealer Weise gleichmäßig bzw. kontrolliert schwinden.
Bei der Herstellung der Wandstruktur 12 mit Hilfe eines Pulvermetallsiebdruck-Prozesses wird ebenfalls eine homogene Masse aus Metallpulver, Bindemittel und Plastifizierungsmittel hergestellt, wobei diese homogene Masse jedoch nicht durch Spritzgießen zu Formkörpern verarbeitet wird, sondern vielmehr durch offene Maschen einer Schablone gedrückt wird, um hierdurch die Formkörper herzustellen. Die nachfolgende Weiterverarbeitung der in Siebdruck-Technik hergestellten Formkörper kann wie beim pulvermetallurgischen Spritzgießen erfolgen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die durch den MIM-Prozess hergestellte Basisstruktur 11 mit der durch den Siebdruck-Prozess hergestellten Wandstruktur 12 bereits als Formkörper im feuchten Zustand, die als Grünlinge bezeichnet werden, verbunden werden können. In diesem Fall werden in MIM-Technik hergestellte Formkörper für die Basisstruktur mit in Pulvermetallsiebdrucktechnik hergestellten Formkörpern für die Wandstruktur als Grünlinge verbunden und anschließend gemeinsam einem Entbindern sowie Sintern unterzogen. Alternativ ist es auch möglich, Formkörper für die Basisstruktur sowie Wandstruktur getrennt zu entbindern und die Formkörper dann als Bräunlinge im trockenen Zustand zu verbinden und dann gemeinsam zu sintern. Weiterhin ist es möglich, die Formkörper der Basisstruktur sowie Wandstruktur sowohl getrennt zu entbindern als auch getrennt zu sintern und erst anschließend zum Beispiel durch Löten oder durch Schweißen oder durch einen Diffusionsprozess miteinander zu verbinden. Auch ist es möglich, die durch einen Siebdruck-Prozess hergestellte Wandstruktur in ein MIM-Werkzeug einzulegen und mit dem Formkörper der Basisstruktur teilweise zu umspritzen, wobei die Wandstruktur als Grünling oder als Bräunling oder im gesinterten Zustand in das MIM-Werkzeug eingelegt werden kann.
Die Wandstrukturen 12 und die Basisstrukturen 11 können aus einem metallischen oder keramischen oder intermetallischen Werkstoff oder aus einer Kombination dieser Werkstoffe hergestellt werden. Auch ist es möglich, die Wandstrukturen 12 und die Basisstrukturen 11 aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen.
Die Wandstrukturen 12 können polyedrische oder zylindrische oder elliptische Zellen aufweisen. Zur Bereitstellung einer mehrschichtigen Wabendichtung können mehrere Wandstrukturen mit einer Basisstruktur sandwichartig verbunden werden, wobei sich die mehreren übereinander angeordneten Wandstrukturen hinsichtlich Wandstärke und/oder Zellenform und/oder Zellengröße unterscheiden können. Auch können mehrere Wandstrukturen, die sich hinsichtlich Wandstärke und/oder Zellenform und/oder Zellengröße unterscheiden, nebeneinander auf einer Basisstruktur angeordnet werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe des MIM-Prozesses Basisstrukturen 11 für die Wabendichtung hergestellt, deren sockelartige Vorsprünge 13 Ausnehmungen 14 bzw. 15 zur Aufnahme und positionsgenauen Ausrichtung der Wandstruktur 12 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind die Ausnehmungen 14 in etwa mittig in die sockelartigen Vorsprünge 13 eingebracht, im Ausführungsbeispiel der 4 hingegen sind die Ausnehmungen 15 in einen Randbereich der Wandstruktur 13 integriert und bilden dort einen treppenförmigen Absatz.
Aus den mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Wabendichtungssegmenten 10 kann eine Wabendichtung zusammengesetzt werden, wie sie zum Beispiel zur Abdichtung von Spalten zwischen radial außenliegenden Enden rotierender Laufschaufeln und einem feststehenden Gehäuse eines Verdichters oder einer Turbine eines Flugtriebwerks verwendet werden kann.

10: Wabendichtungssegment
11: Basisstruktur
12: Wandstruktur
13: Vorsprung
14: Ausnehmung
15: Ausnehmung

Claims

Verfahren zum Fertigen einer Wabendichtung bzw. eines Wabendichtungssegments, mit folgenden Schritten: a) mindestens eine Basisstruktur der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird durch einen Metal Injection Moulding-Prozess hergestellt, b) mindestens eine Wandstruktur der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird durch einen Siebdruck-Prozess hergestellt, c) zur Bereitstellung der Wabendichtung bzw. des Wabendichtungssegments wird mindestens eine Basisstruktur mit mindestens einer Wandstruktur verbunden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur und die Wandstruktur als Grünlinge verbunden und gemeinsam einem Entbindern und einem Sintern unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur und die Wandstruktur getrennt einem Entbindern unterzogen, als Bräunlinge verbunden und gemeinsam einem Sintern unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur und die Wandstruktur getrennt einem Entbindern und einem Sintern unterzogen und anschließend verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur und die Wandstruktur im gesinterten Zustand durch Löten oder Schweißen oder einen Diffusionsprozess verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur in ein MIM-Werkzeug eingelegt und von einem Formkörper der Basisstruktur teilweise umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur als Grünling oder als Bräunling oder im gesinterten Zustand in das MIM-Werkzeug eingelegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur polyedrische oder zylindrische oder elliptische Zellen aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Metal Injection Moulding-Prozess eine Basisstruktur hergestellt wird, die an die Wandstruktur angepasste, sockelartige Vorsprünge zur Aufnahme der Wandstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die sockelartigen Vorsprünge Ausnehmungen zur Aufnahme der Wandstruktur aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur und/oder die Wandstruktur aus metallischen oder keramischen oder intermetallischen Werkstoffen oder aus einer Kombination dieser Werkstoffe hergestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer mehrschichtigen Wabendichtung mehrere Wandstrukturen mit einer Basisstruktur verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mehreren Wandstrukturen hinsichtlich Wandstärke und/oder Zellenform und/oder Zellengröße unterscheiden.
Wabendichtung, insbesondere für eine Gasturbine, mit mehreren Wabendichtungssegmenten, wobei die Wabendichtungssegmente eine durch einen Metal Injection Moulding-Prozess hergestellte Basisstruktur und eine durch einen Siebdruck-Prozess hergestellte Wandstruktur aufweisen.
Wabendichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe nach einem Verfahren im Sinne eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist.