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HINTERGRUND
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Beim Metallguss wird geschmolzenes Metall oder eine Legierung in eine Form gegossen, die dann abkühlt und zu einem von der Form geformten Teil erstarrt. Das Teil kann aus der Form entnommen werden, zum Beispiel durch Brechen oder Zerlegen der Form. Turbinentriebwerksteile, wie z. B. Turbinenabdecksegmente, haben komplexe Formen und können mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Sandguss, Schmieden und dergleichen gefertigt werden.
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Beim Metallpulverspritzguss (MSG) wird ein Metallpulver-Ausgangsmaterial in eine Form gespritzt, um ein Teil zu formen, und wie bei herkömmlichen Gussverfahren wird die Form demontiert, um das geformte Teil zu entnehmen. Mit dem MSG-Verfahren wurden einige Turbinentriebwerksteile mit hohen Stückzahlen hergestellt, die relativ einfache Geometrien mit netzähnlichen Formen besitzen. Durch die Verringerung der Investitionen in Schmiede- und Gussbearbeitungsschritte wie den Bau von Feingussformen, die Nachbearbeitung usw. und die nur minimale maschinelle Bearbeitung kann MSG in einigen Fällen die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren erheblich senken.
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Die Formgestaltung für MSG erfordert, dass sich die Form nach dem Einspritzen öffnen lässt, ohne das Formteil zu beschädigen. Die Herstellung von Turbinentriebwerksteilen mit hinterschnittenen Bereichen, zu denen auch Überhänge und komplexe Krümmungen gehören, mit MSG kann zu einer Formverriegelung führen, bei der sich die im MSG-Verfahren verwendete Form nach dem Einspritzen des Ausgangsmaterials nur schwer oder gar nicht öffnen lässt, ohne das aus der Form entnommene Formteil zu beschädigen. Infolgedessen beschränkt die derzeitige MSG-Konstruktionspraxis die Geometrien auf einfache Komponenten und macht es schwierig, komplexere Teile mit hinterschnittenen Bereichen zu formen, ohne das Teil zu beschädigen oder unerwünschte zusätzliche Bearbeitungsschritte zu erfordern. In einigen Fällen erfordert die Formgestaltung für die Herstellung von Teilen mit Hinterschneidungen die Erstellung mehrerer Schieber, die zusammengefügt werden, um die komplexen Formen der Hinterschneidungen und der an die Hinterschneidungen angrenzenden Überhänge zu erzeugen, aber solche Konstruktionsanforderungen erhöhen die Kosten für den Werkzeugbau und den Spritzgussprozess und verringern die Attraktivität von MSG.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Um Probleme mit der Formverriegelung zu lösen und die Herstellung komplexerer Geometrien von Turbinentriebwerksteilen durch Metallspritzguss (MSG) zu ermöglichen, werden Formtechniken benötigt, die ein Öffnen der Form nach dem Einspritzen ermöglichen, ohne komplexe Merkmale des Formteils in unerwünschtem Maße zu beschädigen. Im Allgemeinen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen Einsatz, der in einer Form zur Verwendung in einem Metall-Spritzgussverfahren (MSG) platziert wird, um ein Turbinentriebwerksteil mit einem komplexen Merkmal, wie z. B. einem hinterschnittenen Bereich, zu formen. Während des MSG-Verfahrens wird der Einsatz so in die Form eingelegt, dass das in die Form eingespritzte Ausgangsmaterial den hinterschnittenen Bereich um mindestens einen Teil einer Außenfläche des Einsatzes bildet. Der Einsatz formt und stützt die Hinterschneidung und alle an die Hinterschneidung angrenzenden Überstände während des Einspritzvorgangs und behält die Form des Hinterschneidungsbereichs während der Entformung und bei den Verarbeitungsschritten nach dem Formen bei. Durch die Positionierung des Einsatzes in der Form können komplexe Probleme mit der Verriegelung gelöst werden und die Form kann nach dem Einspritzen geöffnet werden, ohne dass das Turbinentriebwerksteil übermäßig beschädigt wird oder zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind.
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In verschiedenen Beispielen umfassen geeignete Einsätze herausnehmbare Kerne, teleskopierbare oder zusammenklappbare Werkzeuge in ausgewählten Hohlräumen der Form und dergleichen.
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In einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenabdecksegments mit mindestens einem hinterschnittenen Bereich gerichtet. Das Verfahren umfasst das Formen eines entfernbaren Einsatzes mit einer Außenfläche, die mindestens einem Teil einer Wand des hinterschnittenen Bereichs in dem Turbinenabdecksegment entspricht; das Einsetzen des entfernbaren Einsatzes in eine Form mit einem Formhohlraum, der einer Form des Turbinenabdecksegments entspricht; das Einspritzen eines Metall-Spritzguss (MSG)-Ausgangsmaterials in den Formhohlraum und um den entfernbaren Einsatz herum, um einen Abdeck-Formling mit dem mindestens einen hinterschnittenen Bereich zu bilden; und das Sintern des Abdeck-Formlings, um den Abdeckkörper zu bilden.
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In einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenabdecksegments mit einem hinterschnittenen Bereich gerichtet, der einen Überhang und mindestens einen bogenförmigen Wandabschnitt aufweist. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Form mit einem Formhohlraum, der einer Form des Turbinenabdecksegments entspricht, wobei der Formhohlraum ein einstellbares Werkzeug mit einer Außenfläche aufweist, die einer Form des mindestens einen bogenförmigen Wandabschnitts in dem hinterschnittenen Bereich entspricht; Einstellen des Teleskopwerkzeugs, um eine gewünschte Konfiguration des bogenförmigen Wandabschnitts bereitzustellen; Einspritzen eines Metallpulvergemischs in den Formhohlraum und um das einstellbare Werkzeug herum mit einem Metall-Spritzgussverfahren (MSG), um einen Abdeck-Formling mit dem hinterschnittenen Bereich zu bilden; und Sintern des Abdeck-Formlings, um den Abdeckkörper zu bilden.
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In einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenabdeckkörpers mit mindestens einem hinterschnittenen Bereich mit einem Überhang und einer gekrümmten Wand unterhalb des Überhangs gerichtet. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Opfereinsatzes mit einem Körper aus einem löslichen Material, das aus Polymeren, Wachsen und Metalllegierungen ausgewählt ist, wobei der Körper des Opfereinsatzes eine Außenfläche aufweist, die mindestens einem Teil einer Wand des hinterschnittenen Bereichs entspricht; das Anordnen des Opfereinsatzes in einer Form mit einem Formhohlraum, der einer Form des Turbinenabdecksegments entspricht; Einspritzen einer Basismetallpulvermischung in den Formhohlraum und um den Opfereinsatz herum mit einem Metall-Spritzgussverfahren (MSG), um einen Abdeck-Formling mit dem hinterschnittenen Bereich zu bilden; und Sintern des Abdeck-Formlings, um den Abdeckkörper zu bilden und den Opfereinsatz zumindest teilweise aufzulösen.
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Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
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Figurenliste
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- 1A ist eine Draufsicht auf ein Beispiel für ein Turbinenabdecksegment aus Metallspritzguss (MSG).
- 1B ist eine schematische Querschnittsansicht des Turbinenabdecksegments von 1A.
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Form, die zur Herstellung des Turbinendeckels der 1A-1B unter Verwendung eines Metall-Spritzgussverfahrens (MSG) geeignet ist und herausnehmbare Formeinsätze enthält.
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines mechanischen Formeinsatzes, der zur Verwendung mit der Form von 2 in einem MSG-Verfahren geeignet ist.
- 4 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung zur Herstellung eines MSG-Teils unter Verwendung eines herausnehmbaren Formeinsatzes.
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Gleiche Symbole in den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Elemente.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend auf 1A-1B umfasst ein Beispiel für ein Turbinentriebwerksbauteil, das mit den hier beschriebenen MSG-Verfahren hergestellt werden kann, in diesem Fall ein Turbinenabdecksegment 10, axial voneinander beabstandete vordere und hintere Haken 12 und 14, die sich von einer bogenförmigen Plattform 16 radial nach außen erstrecken. Die Plattform 16 weist eine gegenüberliegende, radial innere Heißgasströmungsfläche 20 auf, die an der Spitze der Turbinenschaufeln angeordnet werden kann. In der Plattform 16 sind interne Kühlkanäle 22 vorgesehen. Das in 1 gezeigte Innenkühlungsschema dient nur zur Veranschaulichung, und die Form und die Abmessungen des Abdecksegments 10 können je nach der beabsichtigten Anwendung des Turbinentriebwerks stark variieren.
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Das Turbinenabdecksegment 10 umfasst ferner einen ersten hinterschnittenen Bereich 24 und einen zweiten hinterschnittenen Bereich 26. Die hinterschnittenen Bereiche 24, 26 umfassen jeweils eine Wand 28, 30, die jeweils mindestens einen Abschnitt 32, 34 mit einer bogenförmigen Form umfassen kann. Die hinterschnittenen Bereiche 24, 26 umfassen ferner jeweils benachbarte Überstände 36, 38, die in einer Richtung im Allgemeinen senkrecht zu den jeweiligen hinterschnittenen Wänden 28, 30 vorstehen.
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In anderen Beispiele können geeignete Turbinentriebwerkskomponenten, die mit den MSG-Verfahren der vorliegenden Offenlegung hergestellt werden können, Turbinenschaufeln, Verdichterschaufeln, Niederdruckturbinenschaufeln, Verdichterschaufeln und dergleichen umfassen.
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Wie oben erwähnt, kann das Turbinenabdecksegment 10 in einer Form durch ein Metall-Spritzgussverfahren (MSG) geformt werden. Nun Bezugnehmend auf die schematische Darstellung in 2 umfasst eine MSG-Form 100 einen Formhohlraum 102, welcher der Form des Turbinenabdecksegments 10 der 1A-1B entspricht (Kühlkanäle sind in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) und so geformt ist, dass die hinterschnittenen Bereiche 24, 26 mit Wänden 28, 30 und Überhängen 36, 38 entstehen. Der Formhohlraum 102 ist in der Regel etwas größer als der des gewünschten Fertigteils, um der Schrumpfung Rechnung zu tragen, die bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten wie z. B. Entbinden und Sintern auftritt.
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In manchen Fällen sind die Wände 28, 30 und die Überhänge 36, 38 in den hinterschnittenen Bereichen 24, 26 jedoch schwer reproduzierbar mit MSG zu formen und können beschädigt werden, wenn das grüne Teil nach dem Formungsprozess und vor dem Sintern des Teils aus der Form entfernt wird. Die Zerbrechlichkeit der Wände 28, 30 und der Überhänge 36, 38 macht es schwierig, die Form 100 nach Abschluss des MSG-Prozesses an einer Trennlinie 101 zu trennen, und die daraus resultierende Formverriegelung kann das MSG-Formen komplexer Teile erschweren oder sogar unmöglich machen.
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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Verfahren zum Formen eines Teils mit MSG gerichtet, bei dem mindestens ein entfernbarer Einsatz 150, 152 im Formhohlraum 102 innerhalb der hinterschnittenen Bereiche 24, 26 positioniert wird, um die Überhänge 36, 38 zu stützen und die Wände 28, 30 während des Formens und Sinterns eines grünen Teils sowie während der anschließenden Trennung der Form 100 vom MSG-Formteil zu bilden. In einigen Beispielen können optionale Befestigungsmittel 154 wie Stifte, Schrauben, Klebstoffe und dergleichen verwendet werden, um die Einsätze 150, 152 im Formhohlraum 102 zu halten oder abnehmbar zu befestigen.
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In einigen Beispielen umfassen die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 einen massiven Körper oder einen Hohlkörper mit einer Außenfläche 156, 158. Die Außenflächen 156, 158 sind so geformt, dass sich das in den Formhohlraum 102 eintretende MSG-Ausgangsmaterial um die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 sammelt, um die Wände 28, 30 des fertigen Teils 10 (1A-1B) zu bilden und das Durchhängen oder unerwünschte Zusammenfallen der Überhänge 36, 38 zu verhindern. In einigen Beispielen können die Einsätze 150, 152 eine optionale Leistungsbeschichtung enthalten (in 2 nicht dargestellt), wie z. B. eine Schicht aus einem Schmiermittel oder einer Formtrennmittelzusammensetzung, um das Einsetzen oder Entfernen der Einsätze aus dem Formhohlraum 102 zu erleichtern. In einigen Beispielen kann der Körper der herausnehmbaren Einsätze 150, 152 aus einem ersten Material gebildet sein, und eine Beschichtungsschicht auf der Außenseite des Körpers kann ein zweites Material enthalten, das sich vom ersten Material unterscheidet, um beispielsweise eine erhöhte Abriebfestigkeit, eine erhöhte Schmierfähigkeit zur Unterstützung des Fließens des MSG-Ausgangsmaterials um den Einsatz herum und Ähnliches zu bieten.
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In einigen Beispielen sind die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 aus einem Material geformt, dessen Schmelztemperatur ausreicht, um bei Temperaturen, die den Einspritztemperaturen des MSG-Ausgangsmaterials entsprechen, chemisch und physikalisch stabil zu bleiben. Darüber hinaus sollten die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 vor, während oder nach dem Zyklus der Konsolidierungswärmebehandlung des MSG-Teils, der hier als Sintern bezeichnet wird, leicht aus dem Formhohlraum 102 entfernt werden können.
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In einigen Ausführungsbeispielen können die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 beispielsweise aus einem polymeren Material bestehen, das nach dem Formen, aber vor dem Sintern mit einer Säure- oder Basenlösung, einer wässrigen Lösung, Wasser, einem organischen Lösungsmittel oder einer Kombination daraus aufgelöst werden kann. In einigen Beispielen können die Einsätze 150, 152 aus einem Material bestehen, das sich auflöst und verdampft, wenn vor oder während des Sinterprozesses Wärme auf die Form 100 einwirkt, wie z. B. ein polymeres Material, ein Wachs oder ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. eine Legierung auf Zinn-/Wismutbasis.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 ein keramisches Material. In einigen Fällen handelt es sich bei den Einsätzen 150, 152 um vorgesinterte Keramikkörper, die in den Formhohlraum 102 eingesetzt werden und nach dem Formen und vor oder nach den nachfolgenden Sinterschritten entfernt werden können.
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Nachdem die Einsätze 150, 152 ordnungsgemäß im Formhohlraum 102 positioniert sind, um die hinterschnittenen Bereiche 24, 26, die Wände 28, 30 und die Überhänge 36, 38 des gewünschten Teils zu bilden, das unter Verwendung von MSG geformt werden soll ( 1A-1B), ist die Montage der Form 100 abgeschlossen und der Formhohlraum 102 wird durch Einspritzen eines unedlen Metallpulvergemischs, das auch als MSG-Ausgangsmaterial bekannt ist, durch die Öffnung 104 in Pfeilrichtung A gefüllt.
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Das MSG-Ausgangsmaterial umfasst im Allgemeinen ein Bindemittel und ein Metallpulver. Im MSG-Ausgangsmaterial kann eine Vielzahl von Bindemitteln verwendet werden, unter anderem Wachse, Polyolefine wie Polyethylene und Polypropylene, Polystyrole, Polyvinylchlorid, Polyacrylate, Cyanacrylate, Polytetrafluorethylen (PTFE) und andere Fluorpolymere sowie Mischungen und Kombinationen davon. Das im MSG-Ausgangsmaterial verwendete Metallpulver kann aus einer Vielzahl von Metallpulvern ausgewählt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Ni, Ti, Cu, Al, Stahl, deren Legierungen und deren Kombinationen. Ein geeignetes Gemisch sorgt für eine ausreichende Fließfähigkeit, um das Ausgangsmaterial von einer Einspritzöffnung 104 durch die Kanäle 106 zu befördern, um die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 zu umströmen und den Formhohlraum 102 im Wesentlichen vollständig auszufüllen.
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Sobald das MSG-Ausgangsmaterial in die Form 100 eingespritzt ist, kann es in den Kanälen 106 des Formhohlraums 102 erstarren und ein grünes kompaktes Teil um die Einsätze 150, 152 bilden. Nachdem das grüne kompakte Teil abgekühlt und erstarrt ist, wird die Form 100 in Pfeilrichtung B um die Trennlinie 101 herum demontiert, und in einigen Beispielen kann das grüne Abdecksegment mit seinen eingebetteten Einsätzen 150, 152 aus der Form 100 entfernt werden. In anderen Beispielen können das grüne Abdecksegment und die herausnehmbaren Einsätze 150, 152 nach dem Gießen und während des Sinterprozesses im Formhohlraum 102 verbleiben. Der Begriff „grün“ wird hier verwendet, um den Zustand eines Formkörpers aus sinterfähigem Pulver oder partikelförmigem Material zu bezeichnen, der noch nicht bis zum Sinterzustand wärmebehandelt worden ist.
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Anschließend werden Konditionierungsvorgänge, einschließlich Entbinden und Sintern, an diesem grünen Abdecksegment durchgeführt, um das Bindemittel zu entfernen und das geformte Metallabdecksegment zu einem dichten Metallteil zu verfestigen, das ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist wie das Material in gegossener oder gekneteter Form. In einigen Beispielen werden zumindest einige der Konditionierungsvorgänge (z. B. Sintern) bei hohen Temperaturen durchgeführt, die weit über dem Schmelzpunkt der Einsätze 150, 152 liegen, wodurch die Einsätze 150, 152 während des Wärmebehandlungszyklus des MSG-Abdecksegments gleichzeitig aufgelöst oder verdampft werden können, ohne dass zusätzliche Herstellungsvorgänge erforderlich sind. Die Verwendung eines Einsatzes aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. einem Polymer, Wachs oder einer Metalllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt, in Kombination mit einem MSG-Verfahren kann in einigen Fällen die Notwendigkeit eines separaten Einsatzentfernungsvorgangs überflüssig machen. Die Schmelztemperatur der meisten polymeren Werkstoffe liegt weit unter den Sintertemperaturen von Metallpulvern, und Kunststoffeinsätze und dergleichen können vollständig aufgelöst/verdampft werden, ohne dass ein spezieller Einsatzentnahmevorgang erforderlich ist. Die Sintertemperatur verschiedener Metallpulver ist in der Fachwelt bekannt und kann von einem mit der Pulvermetallurgie vertrauten Fachmann leicht bestimmt werden.
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Anschließend kann der resultierende gesinterte Abdecksegmentkörper einer geeigneten Metallkonditionierung oder Endbearbeitung unterzogen werden, wie z. B. Schleifen und/oder Beschichten, um das in 1A-1B gezeigte Endprodukt zu erhalten.
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In einem anderen, in 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein abnehmbarer Einsatz 250 aus einer mechanischen Baugruppe gebildet, die einen ersten Arm 260 zur Befestigung des Einsatzes 250 an der Form und einen zweiten Arm 262 mit einer Außenfläche 263 umfasst, die so geformt ist, dass sie die hinterschnittenen Bereiche eines Teils bildet und einen Überhang in den hinterschnittenen Bereichen stützt. In einigen Ausführungsbeispielen können der erste Arm 260 und der zweite Arm 262 mit Befestigungselementen 264 verbunden sein oder durch eine Gewindestange 270 verbunden werden, so dass der Einsatz 250 zur Verwendung bei der Bildung von Hinterschneidungsbereichen verschiedener Formen und Größen einstellbar ist. In einigen Beispielen (in 3 nicht dargestellt) kann der zweite Arm 262 aus einer Vielzahl von Teleskopsegmenten gebildet sein, um zusätzliche Einstellbarkeit zu bieten.
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In einem anderen Beispiel kann der herausnehmbare Einsatz 250 eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung sein, die einen Zylinder ausdehnen kann, um ein Segment oder eine Blase in einer geeigneten Form zu erfassen. In einem anderen Beispiel könnte die mechanische Baugruppe durch ein Zahnrad, ein Ritzel oder einen Hebel, wie z. B. einen Knebel, eine Klemme oder eine Presse, aktiv sein.
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4 zeigt ein Verfahren 300 zur Herstellung eines Turbinenabdeckkörpers mit mindestens einem hinterschnittenen Bereich. Das Verfahren umfasst in Schritt 302 das Formen eines entfernbaren Einsatzes mit einer Außenfläche, die mindestens einem Teil einer Wand des hinterschnittenen Bereichs im Turbinenabdecksegment entspricht. In Schritt 304 wird der herausnehmbare Einsatz in eine Form eingesetzt, die einen Formhohlraum aufweist, der einer Form des Turbinenabdecksegments entspricht. In Schritt 306 wird ein Metall-Ausgangsmaterial (MSG) in den Formhohlraum und um den entfernbaren Einsatz herum gespritzt, um einen Abdeck-Formling mit dem mindestens einen hinterschnittenen Bereich zu bilden. In Schritt 308 wird der Abdeck-Formling gesintert, um den Abdeckkörper zu bilden.
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Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Abdeckungen hat mehrere Vorteile, wie z. B. Flexibilität bei der Gestaltung, vereinfachter Produktionsprozess, kürzere Herstellungszeiten, Einsparungen bei den Produktionskosten, keine Notwendigkeit für gefährliche Materialien zum Auflösen von Keramikkernen und Ähnliches. Polymere Werkstoffe, Wachse und Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt lassen sich leicht formen und sind weniger zerbrechlich als keramische Werkstoffe und haben im Vergleich zu Keramik weniger Einschränkungen in Bezug auf Form und Größe. Mit Hilfe von MSG-Verfahren können daher komplexere Formen von Abdeckungen realisiert werden.
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Es wurden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Diese und andere Ausführungsbeispiele fallen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche.
