DE3935955C1

DE3935955C1 -

Info

Publication number: DE3935955C1
Application number: DE3935955A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. 8000 Muenchen De Smarsly; Raimund 8053 Goldach De Lackermeier
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1991-01-24
Anticipated expiration: 2009-10-28
Also published as: FR2653783B1; JPH03173706A; GB2241509A; GB9023318D0; US5032353A; FR2653783A1; GB2241509B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Her stellung von Formteilen mit komplizierter Endkontur aus inter metallischen Verbindungen aus einem niedrig- und einem hoch schmelzenden Metall.

Ein Verfahren der vorbezeichneten Gattung ist aus Wo 86/04 840 bekannt. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß das Sinter pulver aus harten intermetallischen Partikeln besteht, so daß zur endkonturnahen Ausformung Bindemittel, wie Wachse, Thermoplaste oder Duroplaste, zugemischt werden müssen. Diese Bindemittel verursachen ein großes Schrumpfmaß von 10 bis 20%. Eine spanabhebende Bearbeitung des Sinterkörpers zur Ausbildung einer endkonturnahen Form mit hoher Maßgenauigkeit ist nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur pulver metallurgischen Herstellung von Formteilen anzugeben, wobei ohne Zu mischung von Bindemitteln das Bauteil nach geringer Schrumpfung zu einer endkonturnahen Form kostengünstig zu bearbeiten ist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Unteransprüchen angegeben.

Mit diesem Verfahren wird die gute Bearbeitbarkeit der metallischen Komponenten einer harten, schwierig bearbeitbaren intermetallischen Verbindung genutzt. Es wird aus diesen metallischen Komponenten ein Körper derart vakuum-gesintert, daß sich eine spanabhebend bearbeitbare Matrix aus der niedrigschmelzenden Komponente, in die die höherschmelzende Komponente mit Teilchen größen von 0,2 bis 15 µm eingebettet ist, ausbildet. Damit werden vorteilhaft alle Bearbeitungsverfahren für ein Bauteil aus intermetallischen Verbindungen anwendbar, die bisher nur für die metallischen Komponenten möglich waren.

Das Umhüllen des Formteils mit der hochschmelzenden Komponente hat den Vorteil, daß beim nachfolgenden isostatischen Reaktions pressen keine kompakte Preßform erforderlich wird, so daß kom plizierte Endkonturen isostatisch heiß gepreßt werden können und die Volumenschrumpfung beim Bilden der intermetallischen Verbindung dif fusionsporenfrei erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden dem Pulver aus elementaren Metallen bis zu 50% des Gewichts der Pulvermi schung das Pulver der intermetallischen Verbindung zugesetzt. Dies hat den Vorteil, daß es einerseits die Bearbeitungsmöglichkeiten nicht gravierend einschränkt, andererseits eine höhere Festigkeit des kompakten Sinterkörpers ermöglicht und Reaktionskeime für das Bilden der intermetallischen Verbindung beim nachfolgenden isostatischen Heiß pressen liefert.

Der bevorzugte Mengenbereich für diesen Zusatz liegt zwischen 2 und 30 Gew.-% des Gewichts der Pulvermischung. In diesem Bereich läßt sich die Dauer des nachfolgenden isostatischen Reaktionspressens erheb lich verkürzen.

Neben dem Pulver-Zusatz der intermetallischen Verbindung als Reaktionskeime oder zur Verminderung der Dauer des isostatischen Reaktionspressens können auch Hartstoffe bis zu 30 Gew.-% des Gesamtgewichts des Pulvers zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und/oder der Oxidationsbeständigkeit und/oder der Korrisionsbe ständigkeit des Bauteils mit Teilchen größen kleiner 1 µm oder Kurzfasern derselben zugemischt werden, bevorzugt aus Al₂O₃, Er₂O₃, TiC oder TiB₂.

Um Gaseinschlüsse auszuschließen, wird in einem evakuierbaren Rezipienten unter Vakuum gesintert. Derartige Gaseinschlüsse gefährden die dünne Umhüllung bei der nachfolgenden isostatischen Reak tionssinterung.

Die endkonturnahe Form wird in einer bevorzugten Ausführung der Er findung mittels spanabhebender oder elektrochemischer Bearbeitung erreicht. Diese Bearbeitungsverfahren können deshalb so vorteilhaft eingesetzt werden, weil der Formkörper noch nicht aus der zu bildenden intermetallischen Verbindung besteht; dadurch wird be sonders die Standzeit der Werkzeuge kostengünstig verlängert bzw. die elektrochemische Bearbeitungszeit verkürzt.

Das isostatische Reaktionsintern soll vorteilhaft ohne Preßform lediglich unter Druckgas durchgeführt werden. Zur gleichmäßigen Druckübertragung auf den endkonturnah bearbeiteten Formkörper wird eine 0,05 bis 1 mm dicke, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm dicke Umhüllung des Formteils mit einem Anteil der hochschmelzenden Komponente der zu bildenden intermetallischen Verbindung, vorzugsweise in einem evakuierten Rezi pienten, mittels Aufdampfen, Aufsputtern oder Plasmaspritzen aufge bracht.

Die relativ dünne Umhüllung hat den Vorteil, daß die endkonturnahe Form nicht wesentlich verändert wird. Mit dieser Umhüllung wird un ter Berücksichtigung der Volumenschrumpfung durch das Reaktions sintern die Endkontur erreicht. Der Einsatz der hochschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung als Umhüllung hat den Vorteil, daß beim Reaktionssintern der Umhüllungswerkstoff an den Berührungs flächen mit dem Formteil reagiert und eine festhaftende Oberflächenschicht bildet. Die größeren Umhüllungsdicken bis 1 mm werden erforderlich, wenn bei spielsweise die Oberfläche nachträglich zu läppen oder zu polieren ist.

Das Umhüllen in einem evakuierten Rezipienten verhindert vorteilhaft, daß Gaseinschlüsse unter der Umhüllung bestehen, die beim iso statischen Reaktionspressen ein Aufwölben oder partielles Abplatzen der Umhüllung verursachen können.

Bei größeren Umhüllungsdicken bis 1 mm wird vorzugsweise Plasma spritzen eingesetzt, zumal es auch bei komplizierten Endkonturen ge genüber Aufdampfen und Aufsputtern vorteilhafter einsetzbar ist.

Das isostatische Reaktionspressen wird abhängig von der zu bil denden intermetallischen Verbindung im Druckbereich zwischen 100 und 300 MPa durchgeführt. Dazu wird vorteilhaft eine Inertgas atmosphäre, wie Argon, im Rezipienten aufrechterhalten. Bei zu nie drigen Drücken besteht die Gefahr, daß die relativ dünne Umhüllung dem Dampfdruck der niedrigschmelzenden Komponenten der inter metallischen Verbindungen nicht standhält.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern:

Beispiel 1

Zunächst wird Titan-Pulver einer Teilchengröße kleiner 30 µm und Aluminiumpulver einer Teilchengröße kleiner 30 µm zu je 50 mol.% intensiv gemischt. Diese Pulvermischung wird in einer Sinterform beispielsweise zu einem querförmigen Körper bei einer Temperatur von 75% der Schmelztemperatur des Aluminiums gesintert. Dazu wurde der Rezipient evakuiert. Aus diesem quaderförmigen Sinter körper wird durch Schmieden, spanabhebende Bearbeitung und/oder elektrochemisches Bohren ein endkonturnaher Formkörper, z. B. eine Turbinenschaufel mit Schaufelfuß und Kühlluftkanälen gefertigt. Die Kühlluftkanäle werden mit Quarzstäben aufgefüllt und das Bauteil mit Titan in einer Dicke von 0,5 mm mittels Plasmaspritzen umhüllt, wobei der Rezipient vorher evakuiert wurde. Nach einem isostatischen Reaktionssintern bei 1300°C während 3 Stunden und einem Druck von 200 MPa wird der auf Endmaß geschrumpfte Formkörper aus der inter metallischen Verbindung TiAl₃ der Hochdruckanlage entnommen und werden die Quarzstäbe mittels Flußsäure ausgeätzt.

Beispiel 2

Zunächst wird eine Pulvermischung mit einer Teilchengröße kleiner 30 µm aus 25 mol.% Titan und 75 mol.-% Aluminium hergestellt und mit 5 Gew.-% des Gesamtgewichts der Pulvermischung ein Pulver mit einer Teilchengröße kleiner 1 µm aus der intermetallischen Phase TiAl₃ zugemischt. Danach wird wie im Beispiel 1 verfahren. Lediglich beim isostatischen Reaktionspressen wird ein Druck von 200 MPa bei 1250°C während 2 Stunden angewandt und ein Formkörper aus der inter metallischen Verbindung TiAl₃ der Hochdruckanlage entnommen.

Beispiel 3

Zunächst wird ein Pulver aus
21 Gew.-% Al mit einer Teilchengröße kleiner 30 µm,
5 Gew.-% TiAl₃ einer Teilchengröße kleiner 1 µm,
25 Gew.-% Al₂O₃ einer Teilchengröße kleiner 1 µm und
Rest Ti einer Teilchengröße kleiner 30 µm gemischt.

Die geringfügige Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis zwischen Aluminium und Titan in diesem Beispiel bewirkt, daß der Formkörper nach dem isostatischen Reaktionspressen eine verbesserte Duktilität aufweist. Mit der Zugabe eines Hartstoffs in Form des Al₂O₃-Pulvers wird die Kriechfestigkeit des Formkörpers bei hohen Betriebstemperaturen erhöht.

Nach der Herstellung des Pulvergemisches wird wie im Beispiel 2 ver fahren mit dem Ergebnis, daß ein durch den Hartstoff dispersions gehärteter Formkörper erhöhter Kriechfestigkeit auf der Basis der inter metallischen Verbindung TiAl₃ der Hochdruckanlage entnommen wird.

Claims

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formteilen mit komplizierter Endkontur aus mindestens einer intermetallischen Verbindung aus einem niedrig- und einem hochschmelzenden Metall, ge kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Vakuum-Sintern eines Pulvergemisches aus den elementaren Metallen der zu bildenden intermetallischen Verbindung bei Temperaturen von 75 bis 100% der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalls zu einem kompakten Sinterkörper einer Dichte von min destens 95% der theoretischen Dichte,
b) Bearbeitung des Sinterkörpers zu einem endkonturnahen Formkörper
c) Umhüllen des Formkörpers mit einem weiteren Anteil der hochschmelzenden Komponente der zu bildenden intermetallischen Verbindung,
d) isostatisches Reaktionspressen des umhüllten Formkörpers bei der Reaktionstemperatur zur Bildung der intermetallischen Verbindung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver gemisch aus den elementaren Metallen ein Pulver aus der zu bildenden in termetallischen Verbindung in einer Menge bis zu 50 Gew.-% des Gewichts des Pulvergemischs zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver gemisch aus den elementaren Metallen ein Pulver der zu bildenden intermetallischen Verbindung in einer Menge von 2 bis 30 Gew.-% des Gewichts des Pulvergemisches zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch aus den elementaren Metallen und der intermetallischen Ver bindung bis zu 30 Gew.-% Hartstoff-Pulver, vorzugsweise Al₂O₃, Er₂O₃, TiC oder TiB₂ zugegeben werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der endkonturnahe Formkörper durch spanabhebende oder elektrochemische Bearbeitung erzielt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der endkonturnahe Formkörper in einem evakuierten Rezipienten umhüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Umhüllen mittels Aufdampfen, Aufsputtern oder Plasmaspritzen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der endkonturnahe Formkörper in einer Dicke von 0,05-1 mm, vorzugsweise 0,1-0,5 mm, umhüllt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das isostatische Reaktionspressen unter Ar gonatmosphäre bei einem Druck zwischen 100 und 300 MPa durchgeführt wird.