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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen vorzugsweise
einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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 Entbinderungsprozess das Bindemittel sowie Plastifizierungsmittel
entzogen. Darauffolgend wird während
des Sinterns der Formkörper
zum fertigen Bauteil verdichtet bzw. geschrumpft. Während des
Sinterns verkleinert sich das Volumen des Formkörpers, wobei entscheidend ist,
dass die Dimensionen des Formteils in allen drei Raumrichtungen
gleichmäßig schwinden
müssen. Der
Volumenschwund beträgt
abhängig
vom Bindemittel- und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 30% und
60%.
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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 infolge seines Eigengewichts 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.
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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.
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Beim
Sintern kann sich daher nach dem Stand der Technik 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.
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Aus
den Schriften
DE 35
27 367 C2 und
DE 26
28 582 B2 sind Verfahren zur Herstellung komplexer Gasturbinenbauteile
durch pulvermetallurgisches Spritzgießen und Sintern bekannt. Dabei
kann das Sintern in zwei Stufen erfolgen, wobei die Sintertemperatur
bzw. Endtemperatur in der zweiten Stufe deutlich höher ist.
Die zwei Stufen kann man auch als Vorsintern und Fertigsintern bezeichnen,
wobei in der zweiten Stufe mit einer höheren Schrumpfung und Verdichtung
zu rechnen ist. Bei ungünstiger
Lagerung und Fixierung der Teile kann es während des Sinterns und Vorsinterns
ebenfalls zu Rissen und Deformationen kommen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein weiter verbessertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
vorzuschlagen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird das
Sintern des oder jedes Formkörpers
in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Sinterstufen bei steigenden
Temperaturen durchgeführt,
wobei die Lagerung des oder jedes Formkörpers in jeder Sinterstufe
hinsichtlich Position und Ausrichtung an die in der jeweiligen Sinterstufe erfolgende
Verdichtung und Schrumpfung des oder jedes Formkörpers angepasst ist. Dabei
wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sinterstufen der oder jeder
Formkörper
abgekühlt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird insbesondere zur Herstellung von Schaufeln oder Schaufelteilen
eines Flugtriebwerks verwendet, wobei diese Schaufeln oder Schaufelteile
aus einer Nickelbasislegierung oder auch Titanbasislegierung bestehen.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte
beim pulvermetallurgischen Spritzgießen.
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Die
hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen
vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks,
durch pulvermetallurgisches Spritzgießen (PM). Pulvermetallurgisches
Spritzgießen
wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet.
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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 40% und 70%. Der Anteil von Bindemittel
und Plastifizierungsmittel an der homogenen Masse schwankt demnach
in etwa zwischen 30% und 60%.
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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.
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Im
nachgeschalteten Schritt 14 wird das Bindemittel und das
Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 14 kann man
auch als Endbinderungsprozess 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.
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Im
Anschluss an den Entbinderungsprozess im Sinne des Schritts 14 werden
die Formkörper
im Sinne des Schritts 15 gesintert. Während des Sinterns werden die
Formkörper
zu den Bauteilen mit den endgültigen,
geometrischen Eigenschaften verdichtet. Während des Sinterns 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.
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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.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird das Sintern des oder
jeden Formkörpers
nicht wie im Stand der Technik üblich
in einem einstufigen Sinterprozess durchgeführt, sondern vielmehr in mindestens
zwei aufeinanderfolgenden Sinterstufen, also in einem mehrstufigen
Sinterprozess. Die Sinterparameter bzw. die Sinterbedingungen jeder
Sinterstufe sind an die in der jeweiligen Sinterstufe erfolgende
Verdichtung bzw. Schrumpfung des Formkörpers angepasst. Dies bedeutet,
dass der Sinterprozess in mindestens zwei Teilprozesse, nämlich die Sinterstufen
untergliedert wird, wobei in jedem Teilprozess ein Teil der Gesamtschrumpfung
bzw. Gesamtverdichtung des Formkörpers
erfolgt. Abhängig von
dem beigesteuerten Teil der Gesamtschrumpfung erfolgt die Einstellung
bzw. Auswahl der Sinterparameter bzw. Sinterbedingungen der jeweiligen Sinterstufe.
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Es
liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass von einer Sinterstufe
zur nächstfolgenden Sinterstufe
die Sintertemperatur bzw. die Endtemperatur der jeweiligen Sinterstufe
bzw. des Teilsinterprozesses erhöht
wird. Die jeweiligen Sintertemperaturen hängen selbstverständlich von
dem ausgewählten
Metall bzw. der ausgewählten
Metalllegierung des jeweiligen Formkörpers ab. Wird zum Beispiel
das Sintern in zwei aufeinanderfolgenden Sinterstufen durchgeführt, so
kann für
die erste Sinterstufe die Sintertemperatur auf 950°C und für die zweite
Sinterstufe die Sintertemperatur auf 1150°C festgelegt werden. Erfolgt
das Sintern in drei Sinterstufen, so ist es denkbar, dass für die erste
Sinterstufe die Sintertemperatur auf 950°C, für die zweite Sinterstufe auf
1050°C und
für die
dritte Sinterstufe auf 1150°C
festgelegt wird. Es sei angemerkt, dass die hier angegebenen Temperaturen
rein exem plarischer Natur sind und – wie bereits erwähnt – selbstverständlich von
dem ausgewählten
Metall bzw. der ausgewählten
Metalllegierung abhängig
sind.
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Zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Sinterstufen wird der zu sinternde Formkörper abgekühlt. Mit
anderen Worten ausgedrückt
bedeutet dies, dass der Übergang
von einer Sinterstufe in die darauffolgend nächste Sinterstufe nicht bei
erhitztem Formkörper
durchgeführt
wird, sondern vielmehr bei einem abgekühlten Formkörper. In jeder Sinterstufe wird
demnach der Formkörper
erneut auf die entsprechende Sintertemperatur erhitzt, wobei in
einer nachgeschalteten Sinterstufe die jeweilige Sintertemperatur
höher ist
als in den vorgeschalteten Sinterstufen.
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Es
liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass in
jeder Sinterstufe der Formkörper
in einer an die in der jeweiligen Sinterstufe erfolgende Verdichtung
bzw. Schrumpfung des Formkörpers
angepassten Position bzw. Ausrichtung gelagert wird. Nach dem Sintern
und entsprechend Abkühlen in
einer Sinterstufe kann demnach die Position bzw. Ausrichtung des
Formkörpers
für die
nächstfolgende Sinterstufe
geändert
werden. So ist es möglich,
dass ein zu sinternder Formkörper
bei einem Wechsel von einer Sinterstufe in die nächstfolgende Sinterstufe um
180°C in
seiner Position bzw. Ausrichtung gedreht wird. Auf diese Art und
Weise können
kleinere Formveränderungen
oder Durchbiegungen, die sich in einer Sinterstufe ausgebildet haben,
ausgeglichen werden. Die Änderung
bzw. Anpassung der Position und Ausrichtung erfolgt demnach nicht
nur in Abhängigkeit
der in der jeweiligen Sinterstufe erfolgenden Schrumpfung, sondern
auch in Abhängigkeit
der in der vorgeschalteten Sinterstufe erfolgten Schrumpfung bzw.
Formänderung.
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Vorzugsweise
wird in jeder der Sinterstufen eine angepasste Halteeinrichtung
für den
Formkörper
verwendet. Die Halteeinrichtung für den Formkörper kann auch als Sinterunterlage
bezeichnet werden. Die Halteeinrichtung ist an die in der jeweiligen Sinterstufe
erfolgende Verdichtung bzw. Schrumpfung des jeweiligen Formkörpers angepasst.
Durch den Wechsel bzw. die Anpassung der Halteeinrichtung von Sinterstufe
zu Sinterstufe ist eine optimierte Lagerung bzw. Stützung des
Formkörpers
beim Sintern gewährleistet.
Das Ausbilden unerwünschter Deformierungen
oder Risse beim Sintern kann dadurch minimiert werden. Die an die
jeweilige Sinterstufe angepassten Halteeinrichtungen sind nicht-schrumpfend
ausgeführt
und können
daher wiederverwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
verfügt über den
Vorteil, dass ein nahezu rissfreies, verzugsfreies sowie formgenaues
Sintern der Formkörper beim
pulvermetallurgischen Spritzgießen
möglich
ist. Während
des Sinters ist eine optimierte Lagerung der Formkörper gewährleistet,
ohne deren Bewegungsfreiheit unnötig
einzuschränken.
Durch die mehrfache Wiederverwendbarkeit der Halteeinrichtungen ergeben
sich Kostenvorteile.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine,
insbesondere eines Flugtriebwerks. So liegt es im Sinne der hier
vorliegenden Erfindung Schaufeln, Schaufelteile oder Schaufelsegmente
einer Gasturbine mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen.
Weiterhin können
Dichtungsteile, Verstellhebel, Sicherungsteile oder andere Bauteile
mit einer komplexen dreidimensionalen Gestalt durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellt werden. Derartige Bauteile für eine Gasturbine bestehen
insbesondere aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung.
Wird demnach das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Herstellung solcher Bauteile angewendet, so verfügt die beheizte
Einrichtung vorzugsweise ebenfalls über eine Materialzusammensetzung
auf Basis einer Nickellegierung oder Titanlegierung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch nicht auf die Herstellung von Bauteilen für Gasturbinen
beschränkt.
Es können
grundsätzlich
auch Bauteile für
den Kraftfahrzeugbereich, den allgemeinen Maschinenbau oder sonstige
Anwendungsbereiche hergestellt werden.
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- 10
- Schritt
- 11
- Schritt
- 12
- Schritt
- 13
- Schritt
- 14
- Schritt
- 15
- Schritt
- 16
- Schritt
- 17
- Schritt