DE10332882A1

DE10332882A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine

Info

Publication number: DE10332882A1
Application number: DE10332882A
Authority: DE
Inventors: Josef Kranzeder; Claus Dr. Müller; Max Kraus; Erich Dr. Steinhardt
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-07-19
Filing date: 2003-07-19
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2005009654A2; WO2005009654A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtreibwerks, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. DOLLAR A Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen wird zuerst ein Metallpulver mit einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen mindestens ein Formkörper gefertigt und wobei der oder jeder Formkörper darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen wird. Im Anschluss wird durch Sintern der oder jeder Formkörper zu mindestens einem Bauteil mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem pulverförmigen Material gelagert (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugzeugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugzeugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugzeugtriebwerke 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 Flugzeugtriebwerks geeignet.

Bei der Fertigung bzw. Herstellung von Präzisionsbauteilen aus metallischen oder auch keramischen Pulvern hat sich das pulvermetallurgische Spritzgießen bewährt. 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 ca. 95 % der statischen Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Die gegenüber Schmiedeteilen 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 Keramikpulver, mit einem Binde mittel und ggf. einem Plastifizierer 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. Während des Sinters verkleinert sich das Volumen des Formkörpers, wobei entscheidend ist, dass die Dimensionen des Formteils in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig schwinden müssen. Der lineare Schwund des Volumens beträgt abhängig vom Bindemittel- und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10 % und 20 %.

Zur Erlangung hinreichend hoher Dichten des herzustellenden Bauteils wird beim Sintern eine Sintertemperatur gewählt, die in etwa in der Nähe der Schmelztemperatur des Metalls liegt. Das Metall erweicht demnach und der Formkörper kann sich entsprechend verformen. Beim Sintern ist eine Lagerung des Formkörpers erforderlich, wobei die Lagerung den Formkörper beim Sintern stützen muss und gleichzeitig eine gute Beweglichkeit des Formkörpers beim Sintern gewährleisten soll. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn komplexe, dreidimensionale Bauteile, wie zum Beispiel Bauteile von Gasturbinen, durch das pulvermetallurgische Spritzgießen hergestellt werden sollen.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Formkörper beim Sintern dadurch zu lagern, dass die Formkörpern beim Sintern in steifen Fixierungen, Klammern oder auf Unterlagen geführt werden. Derartige Fixierungen, Klammern und Unterlagen behindern jedoch die Bewegungsfreiheit des zu sinternden Formkörpers. Beim Sintern kann sich daher ein Verzug am Bauteil einstellen, was zu Rissen im hergestellten Bauteil und Maßabweichungen führen kann. Mit zunehmender räumlicher Komplexität des herzustellenden Bauteils wird dieses Problem immer gravierender.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß wird beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem pulverförmigen Material gelagert.

Durch die erfindungsgemäße Lagerung des Formkörpers in dem pulverförmigen Material wird einerseits erreicht, dass komplexe dreidimensionale Bauteile bzw. Formkörper für den Sintervorgang gut gestützt und damit gut gelagert werden können. Andererseits gewährleistet die Lagerung im pulverförmigen Material eine ausreichende Bewegungsfreiheit des Formkörpers bzw. Bauteils beim Sintern. Durch den Wegfall steifer Lagerungen kann das Bauteil beim Sintern sich in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig bewegen. Unerwünschte, geometrische Deformationen sowie das Ausbilden von Rissen oder anderen Defekten am herzustellenden Bauteil können minimiert werden.

Vorzugsweise wird beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem pulverförmigen Material schwimmend gelagert. Hierzu wird vorzugsweise der oder jeder Formkörper in einem Bett aus Pulvermaterial gelagert, wobei die Dichte des Pulvermaterials in etwa der Dichte des oder jeden Formkörpers entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen, insbesondere von Leitschaufeln oder Leitschaufelteilen, eines Flugzeugtriebwerks verwendet, wobei diese Schaufeln oder Schaufelteile aus einer Nickelbasislegierung oder auch Titanbasislegierung bestehen. Beim Sintern wird der oder jede entsprechende Formkörper in einem keramischen Pulver gelagert, wobei das keramische Pulver vorzugsweise eine in etwa runde Teilchenform und eine mittlere Körnungsgröße von 0,05 mm bis 2 mm aufweist.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1: ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte beim pulvermetallurgischen Spritzgießen.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtreibwerks, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet.

Unter Bezugnahme auf 1 werden die einzelnen Verfahrensschritte des pulvermetallurgischen Spritzgießens 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 gefertigt. Diese Formkörper weisen schon alle typischen Merkmale der herzustellenden Bauteile auf. Insbesondere verfügen die Formkörper über die geometrische Form des zu fertigenden Bauteils. Sie verfügen jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen.

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.

Im Anschluss an den Entbindungsprozess im Sinne des Schritts 14 werden die Formkörper im Sinne des Schritts 15 gesintert. Während des Sinters werden die Formkörper zu den Bauteilen mit den entgültigen, 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 Bauteil vor, was in 1 durch den Schritt 16 dargestellt ist. Falls erforderlich, kann nach dem Sintern (Schritt 15) das Bauteil noch einem Veredelungsprozess im Sinne des Schritts 17 unterzogen werden. Der Veredelungsprozess ist jedoch optional. Es kann bereits auch unmittelbar nach dem Sintern ein einbaufertiges Bauteil vorliegen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den oder jeden Formkörper beim Sintern gemäß Schritt 15 in einem pulverförmigen Material, insbesondere in einem Pulverbett, zu lagern. Dies ist insbesondere für komplexe Bauteile mit einer komplex geformten, dreidimensionalen Bauteilgeometrie von entscheidendem Vorteil. So ist es nämlich bei der Lagerung in einem pulverförmigen Material möglich, den oder jeden Formkörper beim Sintern an allen erforderlichen Stellen zu unterstützen bzw. zu lagern, ohne jedoch die Bewegungsfreiheit einzuschränken. Das Ausbilden unerwünschter, geometrischer Deformationen sowie das Ausbilden von Rissen kann hierdurch vermieden werden.

Beim Sintern wird demnach der Formkörper in einem Bett aus Pulvermaterial gelagert. Die Körnungsgröße, Teilchenform und Zusammensetzung des Pulvermaterials wird im Hinblick auf eine ausreichende Unterstützung sowie ausreichende Bewegungsfreiheit des Formkörpers optimiert. Weiterhin wird das Pulvermaterial derart ausgewählt, dass das Pulvermaterial mit dem Material des Formkörpers nicht rea giert, dass also insbesondere das Pulvermaterial vom Metall des Formkörpers nicht benetzt wird und sich insbesondere im Metall nicht löst. Weiterhin wird das Pulvermaterial zur Lagerung des Formkörpers beim Sintern vorzugsweise derart ausgewählt, dass ein Ausdehnungskoeffizient des das Pulverbett bildenden Pulvermaterials im Wesentlichen dem Ausdehnungskoeffizienten des Formkörpers, also dem Ausdehnungskoeffizienten des Metalls, entspricht. Als Pulvermaterial zur Bildung des pulverförmigen Betts wird insbesondere keramisches Pulver oder Pulver aus intermetallischen Verbindungen verwendet.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der oder jeder Formkörper beim Sintern in einem pulverförmigen Bett schwimmend gelagert. Hierzu wird der oder jeder Formkörper in einem Bett aus Pulvermaterial gelagert, wobei die Dichte des Pulvermaterials in etwa der Dichte des Formkörpers entspricht. Vorzugsweise liegt die Dichte des Pulvermaterials in einem Bereich von ± 30 der Dichte des Formkörpers. Bei einer solchen schwimmenden Bettung bzw. Lagerung des oder jeden Formkörpers beim Sintern kann die Schwerkraftwirkung nahezu aufgehoben werden. Dies ist insbesondere bei der Fertigung schlanker, dünnwandiger Bauteile vorteilhaft. In diesem Zusammenhang kann nämlich das Durchbiegen solcher schlanker, dünnwandiger Strukturen verhindert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Bauteilen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke. Bevorzugt ist die Fertigung von Leitschaufeln oder Leitschaufelteilen bzw. Leitschaufelsegmenten sowie Laufschaufeln oder Laufschaufelteilen bzw. Laufschaufelsegmenten eines Flugzeugtriebwerks. Auch lassen sich Dichtsegmente, Verstellhebel oder Sicherungsteile für Gasturbinen im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens fertigen. Derartige Leitschaufeln oder Laufschaufeln bestehen aus einer Nickellegierung bzw. Nickelbasislegierung oder Titanlegierung bzw. Titanbasislegierung. Als Material zur Bildung des Pulverbetts wird dann vorzugsweise ein keramisches Pulver mit einer mittleren Körnungsgröße von 0,05 mm bis 2 mm und einer runden Teilchenform verwendet. Als Pulvermaterial zur Bereitstellung des Pulverbetts beim Sintern der Formkörper eignen sich insbesondere BN, SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, Boride oder Silizide
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von Bauteilen mithilfe des pulvermetallurgischen Spritzgießens während des Sinterns der Formkörper dieselben in einem pulverförmigen Material, nämlich einem Pulverbett, zu lagern. Hiermit können komplexe Bauteile mit der angestrebten Maßhaltigkeit hergestellt werden. Unerwünschte, geometrische Verformungen werden vermieden, so dass Nachbearbeitungen reduziert werden können. Hierdurch reduziert sich die Anzahl der Fertigungsschritte und damit ergeben sich verringerte Fertigungskosten. Das pulverförmige Material, welches zur Lagerung der Formkörper beim Sintern verwendet wird, ist kostengünstig und kann mehrfach verwendet werden. Auch dies ist aus Kostengründen vorteilhaft.

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

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtreibwerks, durch pulvermetallurgisches Spitzgießen, wobei beim pulvermetallurgischen Spitzgießen zuerst insbesondere ein Metallpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen mindestens ein Formkörper gefertigt und wobei der oder jede Formkörper darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der oder jeder Formkörper zu mindestens einem Bauteil mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem pulverförmigen Material gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Formkörper beim Sintern derart in einem pulverförmigen Bett gelagert wird, dass der oder jeder Formkörper vorzugsweise allseitig gestützt wird bei gleichzeitig allseitiger Bewegungsfreiheit desselben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem Bett aus Pulvermaterial gelagert wird, wobei Körnungsgröße und/oder Teilchenform und/oder Zusammensetzung des Pulvermaterials derart gewählt werden, um eine nahezu uneingeschränkte Bewegungsfreiheit des oder jeden Formkörpers zu ermöglichen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern der oder jeder Formkörper in einem pulverförmigen Material schwimmend gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu der oder jeder Formkörper in einem Bett aus Pulvermaterial gelagert wird, wo bei die Dichte des Pulvermaterials in etwa der Dichte des oder jeden Formkörpers entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe der Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen einer Gasturbine, insbesondere der Herstellung von Leitschaufeln, Leitschaufelteilen, Laufschaufeln oder Laufschaufelteilen eines Fugzeugtriebwerks, oder der Herstellung von Dichtungsteilen, Verstellhebeln oder Sicherungsteilen einer Gasturbine dient.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln oder Schaufelteile der Gasturbine aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei als Pulvermaterial ein keramisches Pulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei als Pulvermaterial ein intermetallisches Pulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Pulver eine in etwa runde Teilchenform und eine mittlere Körnungsgröße von 0,05 mm bis 2 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausdehnungskoeffizient des keramischen Pulvers oder intermetallischen Pulvers in etwa dem Ausdehnungskoeffizienten der Nickelbasislegierung entspricht.