DE102005004242B4

DE102005004242B4 - Verfahren zur Herstellung von Triebwerkteilen

Info

Publication number: DE102005004242B4
Application number: DE200510004242
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-01-29
Filing date: 2005-01-29
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2025-01-30
Also published as: DE102005004242A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Triebwerksteilen, bei welchem schichtbildende Materialien in den Heißbereich eines Hochtemperatur-Hochenthalpie-Plasmajets zur Erzeugung eines Gasgemischs mit vollständig in die Gasphase überführten schichtbildenden Materialien eingebracht werden, und
das Gasgemisch adiabatisch abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch auf einen porösen Formkörper zugeführt wird,
eine kompakte Dickschicht mit schmiedeähnlichen Eigenschaften auf dem Formkörper erzeugt wird,
eine Kristallstruktur der auf den Formkörper aufgebrachten Dickschicht durch Wärmebehandlung hergestellt wird, und
der beschichtete Formkörper zur Herstellung einer aerodynamischen Kontur endbearbeitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Triebwerkteilen.
Bei der Herstellung von Triebwerkteilen, insbesondere bei der Neuteilfertigung von Hohlschaufeln ist es bekannt, dass die Herstellung mittels superplastischen Umformens oder Diffusionsverbindens erfolgt. Diese Herstellungsverfahren sind allerdings technisch sehr aufwendig und kostenintensiv.
Die Druckschrift EP 0 767 001 A1 betrifft eine Oberflächenbehandlung eines Objekts bzw. eines Substrats mit einem Gas, welches durch Energiezufuhr in ein Plasma umgewandelt und durch adiabatische Expansion in einer Überschalldüse beschleunigt und abgekühlt wird. Nach dem Verlassen der Düse trifft der Überschall-Plasmastrahl auf das zu behandelnde Objekt.
Die Druckschriften EP 0 851 040 A1 und EP 0 394 735 A2 betreffen vergleichbare Oberflächenbehandlungen mit beschleunigten und gekühlten Plasmen, wobei gemäß der letztgenannten Schrift durch Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Gasstroms in den Plasmastrom auf einem Substrat eine Diamantbeschichtung erzeugt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zur Herzustellung von Triebwerkteilen anzugeben,
Diese Aufgaben werden durch die Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführung der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende, für sich zum Teil bekannte Verfahrensschritte:

– Einbringung von schichtbildenden Materialien in den Heißbereich eines Hochtemperatur-Hochenthalpie-Plasmajets zur Erzeugung eines Gasgemischs mit vollständig in die Gasphase überführten schichtbildenden Materialien,
– Zuführung des Gasgemischs auf einen porösen Formkörper,
– Erzeugung einer kompakten Dickschicht mit schmiedeähnlichen Eigenschaften auf dem Formkörper mittels adiabatischer Abkühlung des Gasgemischs,
– Herstellung einer definierten Kristallstruktur der auf den Formkörper aufgebrachten Dickschicht durch Wärmebehandlung,
– Endbearbeitung des beschichteten Formkörpers zur Herstellung einer aerodynamischen Kontur.

Der Formkörper ist in einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Metallschaumkörper oder ein Körper mit metallsicher Wabenstruktur oder eine Struktur aus gesinterten Hohlkugeln.
Die schichtbildenden Materialien sind vorteilhaft Pulver, flüssige oder gasförmige Precursoren oder Gemische daraus.
Durch die Verwendung eines Hochtemperatur-Hochenthalpie-Plasmajets werden Oberflächentemperaturen der schichtbildenden Materialien erreicht, die zu einer vollständigen Materialverdampfung ausreichend sind. Außerdem wird durch den Hochtemperatur-Hochenthalpie-Plasmajet genügend Strahlenthal pie bereitgestellt um eine vollständige Verdampfung der Materialen in Atome bzw. Mikrocluster zu erreichen.
Im Gegensatz wird bei herkömmlichen Herstellungsverfahren, wie z. B. Plasma- oder Flammspritzen nur ein oberflächiges Aufschmelzen der Materialien realisiert, wodurch in aller Regel keine chemische Verzahnung der schichtbildenden Materialien erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt die Beschichtung des Formkörpers bei Normaldruck oder Niederdruck.
Weiterhin liegt bei den bekannten thermischen Spritzverfahren der Materialeintrag, z. B. Pulver außerhalb des Brenners an der Austrittsstelle des Plasmas in den Arbeitsraum. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hingegen die Zufuhr der schichtbildenden Materialien, auch als Precursoren bezeichnet, noch im Heißbereich des Plasmabrenners realisiert. Dieser Heißbereich liegt im Strömungsverlauf vor der Expansion des Gasgemischs in den Arbeitsraum. Vorteilhaft wird das Gasgemisch einer Expansionsdüse zugeführt, nach der die Gasgemischströmung abkühlt, wodurch in einer Gasphasenkondensation Nanopartikel gebildet werden. Die kinetische Energie der erzeugten Nanopartikel reicht aus um eine kompakte Schicht auf dem porösen Grundkörper zu bilden.
Der mit einer kompakten Dickschicht beschichtete Formkörper wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in eine definierte Kristallstruktur überführt. Dies erfolgt mittels einer Wärmebehandlung, z. B. Auslagerung in einem Gradientenofen.
Die erforderliche Endbearbeitung zur Herstellung einer aerodynamischen Endkontur kann vorteilhaft durch entsprechendes mechanische Bearbeitung z. B. Drehen, Fräsen, Glattschleifen oder mittels elektrochemischer Bearbeitung erfolgen, z. B. ECM (electrochemical machining) oder PCM (pulsed electrochemical machining).

Claims

Verfahren zur Herstellung von Triebwerksteilen, bei welchem schichtbildende Materialien in den Heißbereich eines Hochtemperatur-Hochenthalpie-Plasmajets zur Erzeugung eines Gasgemischs mit vollständig in die Gasphase überführten schichtbildenden Materialien eingebracht werden, und das Gasgemisch adiabatisch abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch auf einen porösen Formkörper zugeführt wird, eine kompakte Dickschicht mit schmiedeähnlichen Eigenschaften auf dem Formkörper erzeugt wird, eine Kristallstruktur der auf den Formkörper aufgebrachten Dickschicht durch Wärmebehandlung hergestellt wird, und der beschichtete Formkörper zur Herstellung einer aerodynamischen Kontur endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Formkörper ein Metallschaumkörper, ein Körper mit metallischer Wabenstruktur oder ein Sinterkörper aus Hohlkugeln verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch einer Expansionsdüse zugeführt wird, nach der die Plasmaströmung abkühlt, und durch Gasphasenkondensation Nanopartikel gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als schichtbildende Materialien Pulver, flüssige oder gasförmige Precursoren oder Gemische daraus verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbearbeitung mittels mechanischer oder elektrochemischer Bearbeitung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Formkörpers bei Normaldruck oder Niederdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die adiabatische Abkühlung des Gasgemischs die Oberflächentemperatur des zu beschichtenden Formkörpers weniger als 530 K beträgt.