DE10343780A1

DE10343780A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Halteeinrichtung

Info

Publication number: DE10343780A1
Application number: DE10343780A
Authority: DE
Inventors: Max Kraus
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-14
Also published as: WO2005030415A3; WO2005030415A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtreibwerks, 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 mindestens einer ebenfalls beim Sintern schrumpfbaren Halteeinrichtung gelagert. Die Erfindung schlägt weiterhin eine entsprechende Halteeinrichtung vor (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen vorzugsweise einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Halteeinrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
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.
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 Bindemittel und gegebenenfalls 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 bzw. geschrumpft. 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 bzw. der Metalllegierung 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 Halteeinrichtungen, nämlich in Fixierungen, Klammern oder Unterlagen, geführt bzw. gelagert werden. Die Halteeinrichtungen sind nach dem Stand der Technik meist aus Keramik gefertigt. 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 vorzugsweise einer Gasturbine vorzuschlagen. Des weiteren liegt es im Sinne der Erfindung eine neuartige Halteeinrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Bauteilen 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 mindestens einer ebenfalls beim Sintern schrumpfbaren Halteeinrichtung gelagert.

Durch die erfindungsgemäße Lagerung des Formkörpers wird einerseits erreicht, dass komplexe dreidimensionale Bauteile bzw. Formkörper für den Sintervorgang gut gestützt und damit gut gelagert werden können. Andererseits gewährleistet die erfindungsgemäße Lagerung 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 werden beim Sintern der oder jeder Formkörper und die oder jede Halteeinrichtung in etwa gleichem Umfang verdichtet bzw. geschrumpft. Hierzu wird vorzugsweise eine Halteeinrichtung verwendet, deren Materialzusammensetzung und Wandstärke an die Materialzusammensetzung und Wandstärke des entsprechenden Formkörpers angepasst ist. Oberflächen der Halteeinrichtung sind insbesondere zumindest abschnittsweise beschichtet, um so ein Zusammensintern der Halteeinrichtung mit dem entsprechenden Formkörper während des Sinterns zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen, insbesondere von Leitschaufeln oder Leitschaufelteilen, eines Flugtriebwerks verwendet, wobei diese Schaufeln oder Schaufelteile aus einer Nickelbasislegierung oder auch Titanbasislegierung bestehen.

Die erfindungsgemäße Halteeinrichtung ist im unanhängigen Patentanspruch 11 definiert.

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 vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, 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 bzw. geschrumpft. 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.
Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die zu sinternden Formkörper beim Sintern in geeigneten Halteeinrichtungen zu lagern. Erfindungsgemäß werden beim Sintern der oder jeder Formkörper in mindestens einer ebenfalls beim Sintern schrumpfbaren Halteeinrichtungen gelagert. Beim Sintern werden der oder jeder Formkörper und die oder jede Halteeinrichtung in etwa gleichem Umfang verdichtet bzw. geschrumpft. Die Halteeinrichtungen sind demnach nicht wie beim Stand der Technik starr bzw. steif ausgebildet, sondern sie vollziehen den Volumenschwund der Formkörper beim Sintern nach, so dass einerseits eine gute Stützung der Formkörper und andererseits eine gute Beweglichkeit derselben in allen drei Raumrichtungen gewährleistet wird.
Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass beim Sintern eine Halteeinrichtung verwendet wird, deren Materialzusammensetzung sowie Wandstärke an die Materialzusammensetzung sowie Wandstärke des entsprechenden, zu sinternden Formkörpers angepasst ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass der zu sinternde Formkörper sowie die entsprechende Halteeinrichtung in gleichem Maße beim Sintern verdichtet werden.
Um beim Sintern eine Reaktion bzw. Diffusion zwischen Bauteil und Halteeinrichtung und damit ein Zusammensintern von Bauteil und Halteeinrichtung zu vermeiden, ist eine Oberfläche der jeweiligen Halteeinrichtung zumindest abschnittsweise beschichtet. Die Oberfläche ist zumindest in den Abschnitten beschichtet, in welchen die Halteeinrichtung mit dem zu sinternden Formkörper in Kontakt steht. Die Halteeinrichtung kann auch allseitig beschichtet sein.
Die konkret verwendete Beschichtung hängt selbstverständlich vom Material bzw. der Materialzusammensetzung der zu sinternden Formkörper bzw. der korrespondierend ausgebildeten Halteeinrichtung ab. Die Verwendung einer keramischen Beschichtung oder einer Beschichtung aus Titannitrid für die Halteeinrichtungen ist jedoch bevorzugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere der Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere der Herstellung von Leitschaufeln, Laufschaufeln, Leitschaufelsegmenten, Laufschaufelsegmenten, Leitschaufelteilen oder Laufschaufelteilen eines Flugtriebwerks. Auch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Dichtungsteilen, Verstellhebeln, Sicherungsteilen oder sonstigen Baugruppen mit komplexer, dreidimensionaler Gestalt. Die Schaufeln, Schaufelseg mente oder Schaufelteile einer Gasturbine werden vorzugsweise aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung gefertigt. Es liegt dann im Sinne der Erfindung, die entsprechenden Halteeinrichtungen ebenfalls aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung zu fertigen. Die Nickelbasislegierungen oder Titanbasislegierungen der Halteeinrichtung tragen dann vorzugsweise eine keramische Beschichtung oder eine Titannitrid-Beschichtung, um ein Zusammensintern mit den Formkörpern für die Schaufeln, Schaufelsegmente oder Schaufelteile zu verhindern.
Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Halteeinrichtung zur Verwendung beim pulvermetallurgischen Spritzgießen von Bauteilen vorzuschlagen. Wie bereits erwähnt, ist die Halteeinrichtung beim Sintern verdichtbar bzw. schrumpfbar, und zwar in etwa in gleichem Umfang wie ein zu sinternder Formkörper. Hierzu ist die Materialzusammensetzung sowie Wandstärke der Halteeinrichtung an die Materialzusammensetzung sowie Wandstärke des zu sinternden Formkörpers angepasst. Eine zumindest abschnittsweise Oberflächenbeschichtung der Halteeinrichtung verhindert ein Zusammensintern der Halteeinrichtung mit dem entsprechenden Formkörper während des Sinterprozesses.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Halteeinrichtung gewährleisten einerseits eine ausreichende Stützung der Formkörper beim Sintern zu Vermeidung unterwünschter Verformungen der Formkörper infolge ihres Eigengewichts. Des weiteren gewährleistet die Erfindung, dass sich die zu sinternden Formkörper beim Sintern in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig zusammenziehen können, wodurch unerwünschte Beschädigungen und Rissbildungen beim Sintern vermieden werden können. Nachträgliche Maßkorrekturen am herzustellenden Bauteil werden minimiert.

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

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, 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 bzw. geschrumpft wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern der oder jeder Formkörper in mindestens einer ebenfalls beim Sintern schrumpfbaren Halteeinrichtung gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern der oder jeder Formkörper und die oder jede Halteeinrichtung in etwa gleichem Umfang verdichtet bzw. geschrumpft werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung verwendet wird, deren Materialzusammensetzung an die Materialzusammensetzung des entsprechenden Formkörpers angepasst ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung verwendet wird, deren Wandstärke an die Wandstärke des entsprechenden Formkörpers angepasst ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung verwendet wird, deren Oberflächen zumindest abschnittsweise beschichtet sind, um so ein Zusammensintern der Halteeinrichtung mit dem entsprechenden Formkörper während des Sinterns zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung zumindest in den Abschnitten beschichtet ist, in welchen dieselbe den entsprechenden Formkörper kontaktiert.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe der Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen einer Gasturbine, insbesondere der Herstellung von Leitschaufeln, Leitschaufelteilen, Laufschaufeln oder Laufschaufelteilen eines Flugtriebwerks, oder der Herstellung von Dichtungsteilen, Verstellhebeln oder Sicherungsteilen einer Gasturbine dient.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln oder Schaufelteile der Gasturbine aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Halteeinrichtung aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung keramisch oder mit Titannitrid beschichtet ist.
Halteeinrichtung für Formkörper zur Verwendung beim pulvermetallurgischen Spitzgießen, nämlich beim Sinterprozess des pulvermetallurgischen Spitzgießens, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung beim Sintern verdichtbar bzw. schrumpfbar ist.
Halteeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung beim Sintern in etwa im gleichem Umfang verdichtbar bzw. schrumpfbar ist wie ein zu sinternder Formkörper.
Halteeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzusammensetzung der Halteeinrichtung an die Materialzusammensetzung des entsprechenden Formkörpers angepasst ist.
Halteeinrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Halteeinrichtung an die Wandstärke des entsprechenden Formkörpers angepasst ist.
Halteeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen der Halteeinrichtung zumindest abschnittsweise beschichtet sind, um so ein Zusammensintern der Halteeinrichtung mit dem entsprechenden Formkörper während des Sinterns zu vermeiden.
Halteeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Halteeinrichtung so gewählt ist, dass eine Reaktion bzw. Diffusion zwischen der Halteeinrichtung und dem entsprechenden Formkörper vermieden wird.
Halteeinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Halteeinrichtung keramisch oder aus Titannitrid gebildet ist.