DE102004060023B4

DE102004060023B4 - Verfahren zum Herstellen eines Wabendichtungssegments

Info

Publication number: DE102004060023B4
Application number: DE102004060023A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier; Ralf Dr. Stolle; Heinrich Walter; Stefan Schneiderbanger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: DE102004060023A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wabendichtungssegments, insbesondere für eine Gasturbine wie ein Flugtriebwerk, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen, wobei beim pulvermetallurgischen Spritzgießen zuerst insbesondere ein Metallpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen ein Formkörper des Wabendichtungssegments gefertigt wird, wobei der Formkörper darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der Formkörper zu dem Wabendichtungssegment mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper nach dem Entbindungsprozess und vor dem Sintern mit metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln beschichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wabendichtungssegments nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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.

Eine durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellte Wabendichtung für eine Gasturbine ist aus der DE 102 59 963 A1 bekannt.

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.

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 Wabendichtungen mit gewünschten bzw. definierten Anstreif- bzw. Einlaufeigenschaften problematisch.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Wabendichtungssegments zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Wabendichtungssegments im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der Formkörper nach dem Entbindungsprozess und vor dem Sintern mit metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln beschichtet.

Vorzugsweise werden die metallischen und/oder keramischen Nanopartikel in den Formkörper eindiffundiert bzw. infiltriert.

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: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Wabendichtungssegments.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Wabendichtungssegments für ein Flugtriebwerk durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet. Unter Bezugnahme auf 1 werden die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 bereitgestellt. Das im Verfahrensschritt 10 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 11 bereitgestellte Bindemittel und Plastifizierungsmittel 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 von herzustellenden Wabendichtungssegmenten gefertigt. Diese Formkörper weisen schon alle typischen Merkmale der herzustellenden Wabendichtungssegmente auf. Insbesondere verfügen die Formkörper über die geometrische Form des zu fertigenden Wabendichtungssegments. Sie verfügen jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen. Die in Schritt 13 bereitgestellten Formkörper bezeichnet man auch als Grünlinge.
Im nachgeschalteten Schritt 14 wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 14 kann man auch als Endbindungsprozess 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. Die in Schritt 14 bereitgestellten Formkörper bezeichnet man auch als Bräunlinge.
Im Anschluss an den Entbinderungsprozess im Sinne des Schritts 14 werden im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Bräunlinge für die herzustellenden Wabendichtungssegmente mit metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln beschichtet. Bei den Nanopartikeln handelt es sich um Par tikel aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen, die eine Größe im Nanometerbereich aufweisen. Vorzugsweise werden die metallischen und/oder keramischen Nanopartikel in die Bräunlinge eindiffundiert bzw. infiltriert. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Bräunlinge der Wabendichtungssegmente, die noch eine poröse Struktur aufweisen, mit metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln zu beschichten bzw. die Nanopartikel in die Bräunlinge zu infiltrieren. Das Beschichten der Bräunlinge kann durch Lackieren oder Tauchen erfolgen. Das Infiltrieren bzw. Eindiffundieren erfolgt vorzugsweise unter Vakuum.
Anschließend werden die Formkörper im Sinne des Schritts 16 gesintert. Während des Sinters werden die Formkörper zu den Wabendichtungssegmenten mit den endgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet. Während des Sinters verkleinern sich demnach die Formkörper, wobei die Dimensionen der Formkörper in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig 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 fertige Wabendichtungssegment vor, was in 1 durch den Schritt 17 dargestellt ist. Falls erforderlich, kann nach dem Sintern (Schritt 16) das Wabendichtungssegment noch einem Veredelungsprozess im Sinne des Schritts 18 unterzogen werden. Der Veredelungsprozess ist jedoch optional. Es kann bereits auch unmittelbar nach dem Sintern ein einbaufertiges Wabendichtungssegment vorliegen.
Die metallischen und/oder keramischen Nanopartikel werden bis zu einer Tiefe eindiffundiert bzw. infiltriert, die in etwa der Einlauftiefe des Wabendichtungssegments entspricht. Durch das Eindiffundieren der Nanopartikel in die Bräunlinge und das nachfolgende Sintern derselben können Wabendichtungssegmente mit definierten Anstreifeigenschaften bzw. Einlaufeigenschaften bereitgestellt werden. Die Nanopartikel werden demnach bis zu einer Tiefe in die Bräunlinge eindiffundiert, sodass nach dem Sintern die gewünschten Einlaufeigenschaften bzw. Anstreifeigenschaften bis zu einer Tiefe im Wabendichtungssegment vorliegen, die der Einlauftiefe desselben entspricht. In den Bereichen, in welchen keine Nanopartikel in die Bräunlinge eindiffundiert werden, bleiben die Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs erhalten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Eigenschaften von durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Wabendichtungssegmenten gezielt eingestellt werden.

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

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wabendichtungssegments, insbesondere für eine Gasturbine wie ein Flugtriebwerk, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen, wobei beim pulvermetallurgischen Spritzgießen zuerst insbesondere ein Metallpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen ein Formkörper des Wabendichtungssegments gefertigt wird, wobei der Formkörper darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der Formkörper zu dem Wabendichtungssegment mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper nach dem Entbindungsprozess und vor dem Sintern mit metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper durch Lackieren oder Tauchen mit den metallischen und/oder keramischen Nanopartikeln beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen und/oder keramischen Nanopartikel in den Formkörper eindiffundiert bzw. infiltriert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eindiffundieren bzw. Infiltrieren unter Vakuum erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen und/oder keramischen Nanopartikel bis zu einer Tiefe in den Formkörper eindiffundiert bzw. infiltriert werden, die in etwa der Einlauftiefe des Wabendichtungssegments entspricht.