DE102010061960A1 - Process for near-net-shape production of high-temperature-resistant engine components - Google Patents

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Abstract

Zur endkonturnahen Fertigung eines hochtemperaturbeständigen und komplex gestalteten Bauteils wird ein als Metallpulver vorliegender hoch schmelzender Teil einer intermetallischen Phase mit einem Binder vermischt und aus dem so gebildeten Feedstock durch Metallpulverspritzen ein im Wesentlichen der Endkontur entsprechendes Grünteil gefertigt, in dessen nach Herauslösen des Binders verbleibende Poren der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase infiltriert. Das so erzeugte Braunteil wird – gegebenenfalls nach einer zuvor durchgeführten mechanischen Bearbeitung – einer in Abhängigkeit von den eingesetzten metallischen Phasen spezifischen Wärmebehandlung zur Erzeugung der intermetallischen Phase unterzogen. Dadurch können aus intermetallischen Phasen bestehende Triebwerksbauteile mit geometrisch komplizierter Struktur kostengünstig hergestellt werden.For near-net-shape production of a high-temperature-resistant and complex component, a high-melting part of an intermetallic phase, which is present as metal powder, is mixed with a binder and a green part essentially corresponding to the final contour is produced from the feedstock formed in this way by metal powder spraying, in whose pores remaining after the binder has been removed low melting point of the intermetallic phase infiltrated. The brown part produced in this way is subjected to a specific heat treatment, depending on the metallic phases used, to produce the intermetallic phase - if necessary after a previously carried out mechanical processing. As a result, engine components consisting of intermetallic phases and having a geometrically complex structure can be manufactured inexpensively.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtemperaturbeständigen Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur durch Metallpulverspritzgießen.The invention relates to a method for near net shape production of high-temperature engine components with geometrically complex structure by metal powder injection molding.

Ein bekanntes Verfahren zur endabmessungsnahen Herstellung von geometrisch kompliziert ausgebildeten Bauteilen ist das auch als MIM-Verfahren (Metal Injection Moulding) bezeichnete Metallpulverspritzgießen. Beim Metallpulverspritzgießen wird zunächst ein Metallpulver mit einem Binder aus thermoplastischen Kunststoffen und Wachsen zu einem fließfähigen Werkstoff (Feedstock) vermischt, der in einem herkömmlichen Spritzgießprozess mit Hilfe eines Extruders in eine Form gespritzt wird. Nach dem Abkühlen, Erstarren und Entformen steht ein sogenanntes Grünteil zur Verfügung, aus dem durch thermisches oder chemisches Herauslösen des Binders ein offenporiges Formteil, das sogenannte Braunteil, entsteht. In einem anschließenden Sinterprozess wird das offenporige Braunteil verdichtet und erhält seine endgültige Form und weist aufgrund der verbleibenden geringen Restporosität mit dem Vollmaterial übereinstimmende Festigkeitswerte auf. Um auch hochtemperaturbeständige Triebwerksbauteile, zum Beispiel Turbinenschaufeln, endkonturnah herstellen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, ein aus einer intermetallischen Phase bestehendes Pulver zu erzeugen und in der oben geschilderten Art für das Metallpulverspritzen einzusetzen. Die Herstellung intermetallischer Phasen und eines daraus erzeugten Pulvers zur Anwendung beim Metallpulverspritzgießen ist jedoch mit einem hohen Fertigungs- und Kostenaufwand verbunden.A well-known method for near-net-shape production of geometrically complicated components is also known as MIM (Metal Injection Molding) metal injection molding. In metal powder injection molding, a metal powder is first mixed with a binder of thermoplastics and waxes to form a flowable material (feedstock), which is injected into a mold by means of an extruder in a conventional injection molding process. After cooling, solidification and demolding, a so-called green part is available, from which an open-pore molding, the so-called brown part, is formed by thermal or chemical dissolution of the binder. In a subsequent sintering process, the open-pored brown part is compacted and given its final shape and has due to the remaining low porosity with the solid material on matching strength values. In order to produce high-temperature-resistant engine components, for example turbine blades, near net shape, it has already been proposed to produce a powder consisting of an intermetallic phase and to use it in the manner described above for metal powder spraying. However, the production of intermetallic phases and a powder produced therefrom for use in metal powder injection molding is associated with a high manufacturing and cost.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtemperaturbeständigen Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur anzugeben.The invention has for its object to provide a cost-effective method for near-net-shape production of high-temperature engine components with geometrically complex structure.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention the object is achieved by a method according to the features of patent claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein als Metallpulver vorliegender hoch schmelzender Teil einer intermetallischen Phase mit einem Binder vermischt und aus dem so gebildeten Feedstock durch Metallpulverspritzen ein im Wesentlichen der Endkontur entsprechendes Grünteil gefertigt wird, in dessen nach Herauslösen des Binders verbleibende Poren der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase infiltriert wird, wobei das so erzeugte Braunteil einer in Abhängigkeit von den eingesetzten metallischen Phasen spezifischen Wärmebehandlung zur Erzeugung der intermetallischen Phase unterzogen wird.The basic idea of the invention is that a high-melting part of an intermetallic phase which is present as metal powder is mixed with a binder and a green part substantially corresponding to the final contour is produced from the thus-formed feedstock by metal powder spraying, in which the pores remaining after dissolution of the binder are low is infiltrated melting part of the intermetallic phase, wherein the brown part thus produced is subjected to a specific depending on the metallic phases used heat treatment to produce the intermetallic phase.

Dadurch ist es möglich, hochtemperaturbeständige und leichte Triebwerksbauteile mit geometrisch komplizierter Struktur, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln, kosteneffizient aus Hochleistungswerkstoffen herzustellen.This makes it possible to produce high temperature resistant and lightweight engine components with geometrically complicated structure, such as turbine blades, cost-effectively from high performance materials.

In Ausgestaltung der Erfindung wird als Binder ein polymerer Zweikomponentenbinder verwendet, wobei die erste Binderkomponente aus dem durch Metallpulverspritzgießen erzeugten Grünteil chemisch, katalytisch oder thermisch herausgelöst wird und die zweite Binderkomponente beim Infiltrieren des niedrig schmelzenden metallischen Teils thermisch entfernt wird.In an embodiment of the invention, a polymeric two-component binder is used as the binder, wherein the first binder component is dissolved out of the green part produced by metal powder injection molding chemically, catalytically or thermally and the second binder component is thermally removed in infiltrating the low-melting metallic part.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Anteil des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase variabel und durch den Anteil der Poren nach dem vollständigen Entbindern des Grünteils bestimmt.In a further embodiment of the invention, the proportion of the low-melting part of the intermetallic phase is variable and determined by the proportion of the pores after complete debindering of the green part.

Der Anteil der Poren und damit der Anteil des infiltrierten niedrig schmelzenden Teils in der intermetallischen Phase wird durch die Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen dem Metallpulver und dem Zweikomponentenbinder bestimmt.The proportion of pores and thus the proportion of the infiltrated low-melting part in the intermetallic phase is determined by adjusting the mixing ratio between the metal powder and the two-component binder.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Infiltration des schmelzflüssigen, niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase in das offenporige Braunteil nach dem „Squeeze-Casting-Verfahren unter Druck.In a further embodiment of the invention, the infiltration of the molten, low-melting part of the intermetallic phase takes place in the open-pore brown part after the "squeeze-casting process under pressure.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann das Braunteil nach der Infiltration des niedrig schmelzenden Teils und noch vor der die intermetallische Phase erzeugenden Wärmebehandlung mechanisch bearbeitet werden.In a further embodiment of the invention, the brown part after the infiltration of the low-melting part and before the intermetallic phase-generating heat treatment can be mechanically processed.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit dem beigefügten Verfahrensablaufschema nachfolgend am Beispiel der Herstellung einer Turbinenschaufel, die aus einer auf Eisen und Aluminium basierenden intermetallischen Phase besteht, näher erläutert.An embodiment of the invention will be further described in connection with the attached process flow diagram, using as an example the manufacture of a turbine blade consisting of an iron and aluminum based intermetallic phase.

Aus dem hoch schmelzenden Teil der intermetallischen Phase, hier Eisen, wird ein Eisenpulver hergestellt (Schritt 1), das mit einem aus zwei Komponenten bestehenden polymeren Binder vermischt wird (Schritt 2). Aus dem Eisenpulver-Binder Gemisch, dem – als Granulat vorliegenden – sogenannten Feedstock, wird mithilfe einer Schneckenpresse in einem herkömmlichen Spritzverfahren ein Grünteil erzeugt (Schritt 3), aus dem nach dem Abkühlen, Erstarren und Entformen die erste Komponente des polymeren Binders herausgelöst wird (Schritt 4). Das Entfernen der ersten Komponente des Binders kann chemisch, katalytisch und/oder thermisch erfolgen. Im Ergebnis der teilweisen Entbinderung wird ein aus der hoch schmelzenden metallischen Phase und der ersten Komponente des Binders bestehendes offenporiges Braunteil bereitgestellt, das eine bestimmte – in Abhängigkeit von dem Binderanteil einstellbare – Porosität aufweist. In dem nachfolgenden Verfahrensschritt wird in einem modifizierten Druckgießverfahren, dem sogenannten „squeeze casting” in die Hohlräume des Braunteils unter hohem Druck eine niedrig schmelzende metallische Phase – hier: Aluminium – infiltriert und dabei die zweite Komponente des Binders thermisch aus dem Braunteil herausgelöst (Schritt 5). Das Volumenverhältnis zwischen der hoch schmelzenden metallischen Phase (Eisen) und der niedrig schmelzenden metallischen Phase (Aluminium) wird über die jeweilige Porosität des Braunteils eingestellt. Nach diesem Schritt kann, sofern erforderlich, eine zu diesem Zeitpunkt in einfacher Weise durchführbare mechanische Bearbeitung des infiltrierten Braunteils erfolgen (Schritt 6). Anschließend wird das der Endform entsprechende Bauteil einer Wärmebehandlung zur Bildung einer aus Eisen und Aluminium bestehenden intermetallischen Phase unterworfen (Schritt 7), so dass nun ein durch Metallpulverspritzgießen geometrisch komplex gestaltetes sowie hochtemperaturbeständiges Bauteil, beispielsweise eine Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, zur Verfügung steht.From the refractory portion of the intermetallic phase, here iron, an iron powder is produced (step 1) which is mixed with a two-component polymeric binder (step 2). From the iron powder binder mixture, the so-called granular feedstock, a green part is produced by means of a screw press in a conventional spraying process (step 3), from which after cooling, solidification and demolding, the first component of the polymeric binder is dissolved out ( Step 4). The removal of the first component of the binder can be carried out chemically, catalytically and / or thermally. As a result of the partial debindering, there is provided an open-pore brown part consisting of the high-melting metallic phase and the first component of the binder, which has a certain porosity which can be adjusted as a function of the binder fraction. In the subsequent process step, in a modified pressure casting process, the so-called "squeeze casting" into the cavities of the brown part under high pressure, a low-melting metallic phase - here: aluminum - infiltrated while the second component of the binder thermally dissolved out of the brown part (step 5 ). The volume ratio between the high-melting metallic phase (iron) and the low-melting metallic phase (aluminum) is set by the respective porosity of the brown part. After this step, if necessary, a machining of the infiltrated brown part which can be carried out in a simple manner at this time can be carried out (step 6). Subsequently, the component corresponding to the final shape is subjected to a heat treatment to form an iron and aluminum intermetallic phase (step 7), so that a metal-injection molded geometrically complex and high-temperature resistant component, for example a turbine blade for a gas turbine engine, is now available.

In der gleichen Art können auch andere aus einer intermetallischen Phase, beispielsweise auf der Basis von Nickel, Eisen, Titan und Aluminium gefertigte – hochtemperaturbeständige und leichte Bauteile mit geometrisch komplizierter Struktur bei geringem Materialaufwand effizient und kostengünstig hergestellt werden.In the same way other made of an intermetallic phase, for example on the basis of nickel, iron, titanium and aluminum - high temperature resistant and lightweight components with geometrically complicated structure can be produced efficiently and inexpensively with low material costs.

Claims (7)

Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtemperaturbeständigen, aus einer einen hoch und einen niedrig schmelzenden Teil umfassenden intermetallischen Phase bestehenden Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur durch Metallpulverspritzgießen, dadurch gekennzeichnet, dass der als Metallpulver vorliegende hoch schmelzende Teil mit einem Binder vermischt und durch Metallpulverspritzgießen zunächst ein Grünteil des Triebwerksbauteils und nach Herauslösen des Binder ein offenporiges Braunteil gefertigt wird, und danach der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase in schmelzflüssigem Zustand in die Poren des Braunteils infiltriert wird und schließlich das so vorbereitete Braunteil einer die intermetallische Phase erzeugenden Wärmebehandlung unterworfen wird.Process for the near-net-contour production of high temperature resistant, consisting of a high and a low melting part comprising intermetallic phase engine components with geometrically complex structure by metal powder injection molding, characterized in that the present as a metal powder high-melting part mixed with a binder and by metal powder injection molding first a green part of Engine component and after dissolution of the binder, an open-pored brown part is made, and then the low-melting part of the intermetallic phase in the molten state is infiltrated into the pores of the brown part and finally the thus prepared brown part of the intermetallic phase-generating heat treatment is subjected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase variabel ist und durch den Anteil der Poren nach dem vollständigen Entbindern des Grünteils bestimmt ist.A method according to claim 1, characterized in that the proportion of the low-melting part of the intermetallic phase is variable and is determined by the proportion of the pores after complete debindering of the green part. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Poren durch die Einstellung des Mischungsverhältnis zwischen dem Metallpulver und dem Zweikomponentenbinder bestimmt wird.A method according to claim 2, characterized in that the proportion of the pores is determined by adjusting the mixing ratio between the metal powder and the two-component binder. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration des schmelzflüssigen niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase in das offenporigen Braunteil nach dem „Squeeze-Casting-Verfahren unter Druck erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the infiltration of the molten low-melting part of the intermetallic phase in the open-pored brown part after the "squeeze-casting method under pressure. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Braunteil nach der Infiltration des niedrig schmelzenden Teils und noch vor der die intermetallische Phase erzeugenden Wärmebehandlung mechanische bearbeitet wird.A method according to claim 1, characterized in that the brown part is processed mechanically after the infiltration of the low-melting part and before the intermetallic phase-generating heat treatment. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder ein polymerer Zweikomponentenbinder eingesetzt wird, wobei die erste Binderkomponente aus dem durch Metallpulverspritzen erzeugten Grünteil und die zweite Binderkomponente beim Infiltrieren des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase herausgelöst wird.A method according to claim 1, characterized in that the binder is a polymeric two-component binder is used, wherein the first binder component is dissolved out of the generated by metal powder spraying green part and the second binder component in infiltrating the low-melting part of the intermetallic phase. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Binderkomponente chemisch, katalytisch und/oder thermisch und die zweite Binderkomponente thermisch herausgelöst wird.A method according to claim 1, characterized in that the first binder component is chemically, catalytically and / or thermally and the second binder component is thermally dissolved out.
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