DE4338457C2 - Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale und porösem Kern und Herstellungsverfahren - Google Patents
Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale und porösem Kern und HerstellungsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall oder Keramik mit dich
ter Außenschale und porösem Kern, wobei die Außenschale aus dichtgesintertem
Pulvermaterial besteht, und ein Herstellungsverfahren des
Bauteils.
Bauteile mit dichter Außenschale und porösem Kern sind aus der
Kunststoffherstellung bekannt, wobei eine dichte Außenhaut
durch Erhitzen der Oberfläche einer geschäumten Kunstoffmasse
erzeugt wird.
Für metallische oder keramische Bauteile werden Kernporositäten
nur dadurch erreicht, daß beispielsweise beim Sintern mit un
terschiedlichen Vollpartikelgrößen gearbeitet wird oder daß
Schaummetalle in eine dichte Außenschale eingebracht werden.
Das hat den Nachteil, daß die Variation der Porosität und die
Anpassung der Porosität an festigkeitsbedingte und konstruktive
Forderungen äußerst begrenzt ist. So ist es bisher nicht mög
lich, ein mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil für hohe Flä
chenpressungen auf eine dünnwandige Außenschale mit hoher Poro
sität des Kerns zu realisieren.
Aus der EP 0 446 673 A1 ist ein Sinterkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
bekannt, der eine dichte Randzone aus feinkörnigem Sinterpulver und einen grobkörnigen,
hochporösen Kern aufweist. Die Randzone soll gezielte Oberflächeneigenschaften besit
zen, um Nacharbeiten zu vermeiden. Der Einsatz gesinterter Hohlkugeln sowie deren spe
zielle Anordnung im Kern zur Schaffung eines leichten Bauteils, dessen dünnwandige Au
ßenschale hohe Flächenpressungen aufnehmen kann, wird weder offenbart noch proble
matisiert.
In der US 4,925,740 ist ein Bauteil offenbart, bei dem in Bereichen hoher Belastung kleine
re Kugeln und in Bereichen geringerer Belastung größere Kugeln angeordnet werden, um
das Verhältnis von Bauteilfestigkeit zu -gewicht zu variieren. Die Kugeldurchmesser blei
ben jedoch zum Kernzentrum hin gleich, so daß eine lagenweise Schichtung der Hohlku
geln zur Aufnahme hoher Flächenpressungen nicht erfolgt.
Die DE-PS 39 02 032 offenbart ein gesintertes Leichtbauteil mit einem Herstellungsverfah
ren, das aus metallischen, in einer dichtesten Kugelpackung angeordneten Hohlkugeln
aufgebaut ist, die annähernd gleiche Durchmesser aufweisen und nicht lagenweise ge
schichtet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil und
ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das eine Struk
tur aufweist, die eine dichte feste dünnwandige Außenschale zur
Aufnahme hoher Spannungen und Flächenpressungen und einen
geschlossen porösen Kern zur Aussteifung ausbilden soll.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß
der
Kern zur Aufnahme hoher Flächenpressungen der Außenschale ges
interte Hohlkugeln aufweist, die lagenweise geschichtet sind
und zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige oder polygona
le Hohlräume ausbilden.
Dabei kann eine Lage falls erforderlich nur aus einer Monolage
von Hohlkugeln gleichen Durchmessers bestehen und der Durch
messer zum Kerninnern hin stufenweise derart zunehmen, daß ein
gradueller Übergang von einer dichten Außenschale zu einer
großen Porigkeit im Innern des porösen Kerns entsteht mit dem
Vorteil, daß eine hohe Aussteifung der dünnwandigen Außenschale
bei gleichzeitig minimalem Gewicht entsteht, was besonders
vorteilhaft für Bauteile im Triebwerksbau, wie Triebwerksschau
feln, und im Motorenbau, wie Verdichterkolben, ist. Besonders die
Flächenpressung, die auf den Deckel eines Verdichterkolbens
während der Verbrennung einwirkt, kann mit einer derartigen
Bauteilstruktur von einer relativ dünnwandigen Außenschale
problemlos aufgenommen werden. Flächenpressungsspitzen, wie sie
in den Bohrungen für den Kolbenbolzen auftreten, können durch
entsprechende Lagenanordnung und Auswahl der Hohlkugeldurch
messer des Kerns aufgenommen werden.
Deshalb weisen enge Kernquerschnitte vorzugsweise kleinere
Hohlräume als weite Kernquerschnitte auf. Die Größe der Hohl
räume wird durch den Innendurchmesser der gesinterten Hohlku
geln festgelegt. Zu einer Bildung polygoner Hohlräume kommt es,
wenn beim Sintern oder nach dem Sintern der Außenschale mit
eingeschlossenen Hohlkugeln das Bauteil heißisostatisch gepreßt
wird.
Überwiegend kugelige Hohlräume bleiben erhalten, wenn vorzugs
weise die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln mit Material aufge
füllt sind, wobei dieses Material aus Pulverpartikeln von gleicher
chemischer Zusammensetzung wie das Hohlkugelmaterial sein kann.
Nach dem Sintern sind dann die Hohlräume zwischen den Hohlku
geln vorzugsweise mit gesintertem Material gefüllt.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vor dem
Sintern neben sinterfähigem Pulver auch Fasermaterial zwischen
den Hohlkugellagen eingelegt. Das hat den Vorteil, daß die
mechanische Festigkeit des Kerns besonders für Zugbelastungen
erhöht wird. Da Rotorschaufeln in Triebwerken erhöhten Zugbela
stungen ausgesetzt sind, wird das Fasermaterial vorzugsweise
für derartigen Anwendungen in die Hohlräume zwischen den Hohl
kugeln eingebracht und teilweise oder vollständig von Matrixma
terial umgeben.
Vorzugsweise sind das Pulvermaterial der Außenschale und falls
erforderlich das Pulvermaterial zwischen den Hohlkugeln und die
Hohlkugeln selbst aus Metall oder Metallegierungen. Hierzu
werden vorzugsweise die Metallegierungen eingesetzt, die
schwierig zu bearbeiten sind, wie hochlegierte Stähle, Kobalt-,
Titan- oder Nickelbasislegierungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung bestehen
das Pulvermaterial und die Hohlkugeln aus intermetallischen
Verbindungen. Bauteile aus diesen Legierungen zeichnen sich
durch ihre Härte und durch ihre Korrosionsfestigkeit aus, sind
aber mechanisch und elektrochemisch schwierig bearbeitbar.
Deshalb erweist sich die erfindungsgemäße Bauteilstruktur für
diese Materialien als besonders vorteilhaft geeignet.
In weit höherem Maße treffen diese Vorteile auf Bauteile zu,
bei denen das Pulvermaterial und die Hohlkugeln aus Keramik
sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann die Materialdichte vor
zugsweise von der Außenschale zum Zentrum des Kerns hin von
nahezu 100% auf bis zu 3% abnehmen und die Porosität entspre
chend von annähernd 0% auf bis zu 97% anwachsen. Derartige
Werte sind bei bisherigen Bauteilen unerreicht. Mit dieser
hohen einstellbaren Zunahme der Porosität lassen sich hochfeste
Bauteile bei gleichzeitig minimalem Gewicht konzipieren. Dazu
weisen die Hohlkugeln im Kern einen von Außen nach Innen an
wachsenden Innendurchmesser auf, der zwischen 0,01 und 10 mm
liegt. Ein Bereich zwischen 0,3 bis 5 mm wird dann eingesetzt,
wenn gröbere Übergänge zwischen den Hohlkugellagen zulässig
sind und wenn insbesondere die Hohlräume zwischen den Hohlku
geln durch Fasermaterial und/oder Sinterpulver aufgefüllt sind.
Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus
Metall oder Keramik mit dichter, geschlossener Außenschale und
porösem Kern anzugeben wird durch die folgenden Verfahrens
schritte erreicht:
- a) Herstellen von Schlickern mit Wasser oder Alkohol und/oder Bindern in unterschiedlichen Ansätzen sowohl mit Voll pulvern unterschiedlicher Partikelgröße als auch mit Hohlkugeln unterschiedlichen Durchmessers,
- b) Erzeugen einer Außenschale als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröße zur Aus bildung der Außenschale eingesetzt werden,
- c) Erzeugen eines porösen Kerns mittels Schlickern aus Hohl kugeln, wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel- Schlickern mit zunehmendem Kugeldurchmesser von Innen auf die Außenschale aufgebracht werden,
- d) Ausbrennen von Lösungsmitteln und Bindern und Sintern der Schlickerschichten ganz oder teilweise in der Schlicker form zu einem Bauteil.
Nach dem Erstellen der unterschiedlichen Schlickeransätze,
werden diese getrennt bis zum Einsatz für eine der zu bildenden
Lagen aufbewahrt. Die Schlickeransätze werden dabei als Gieß
masse zum Eingießen in eine Form, als streichfähige beispiels
weise lufttrocknende Masse zum Aufspritzen oder Aufstreichen auf
eine formgebende Oberfläche oder als Spachtelmasse zum Auftra
gen auf eine formgebende Oberfläche hergestellt. Die Schlicker
form, in der sich die unterschiedlichen Schlicker absetzen oder
die formgebende Oberfläche, auf der bei pastenartigen oder
lackartigen Schlickeransätzen die Schlicker mittels Spachteln
oder Streichen aufgetragen werden, wird stufen- oder lagenweise
erweitert, während sich die Schlickerzusammensetzung von Stufe
zu Stufe oder von Lage zu Lage ändert.
In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden unterschiedliche
Schlickeransätze für die Außenschale aus Vollpartikeln und den
porösen Kern aus Hohlkugeln nacheinander in eine Schlickerform über eine
Eingußöffnung eingegossen. Nach Anlegen einer Schlickerschicht an die
inneren Oberflächen der Form werden die Reste der unterschiedlichen
Schlickeransätze über die Eingußöffnung ausgebracht. Abschließend wird
die Eingießöffnung mit einer Folge von unterschiedlichen Schlicker
gußlagen verschlossen. Das hat den Vorteil, daß auf einfachste Weise
Bauteile mit komplexen Strukturen und dem erfindungsgemäßen Außen
schalen- und Kernaufbau hergestellt werden können. Bei Bauteilen wie
Turbinenschaufeln, wie in Fig. 2 gezeigt, kann sogar ein Verschließen
der Eingußöffnung unterbleiben, wenn die Schaufelspitze als Einguß
öffnung ausgebildet wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die
Außenschale eines hohlen Bauteils in zwei getrennten Schritten und
aus zwei Hälften, einer inneren und einer äußeren Außenschale
bestehend hergestellt. Dazu wird zunächst die innere Außenschale
als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlicker
form abgesetzt, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikel
größe zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen
Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der
inneren Außenschale eingesetzt werden. Anschließend wird ein poröser
Kern aus Hohlkugeln erzeugt, wobei weitere Schichten lagenweise aus
Hohlkugel-Schlickern mit zunächst zunehmendem und anschließend ab
nehmendem Kugeldurchmesser auf die innere Außenschale aufgebracht
werden. Abschließend wird eine äußere Außenschale des Bauteils, das
vorzugsweise Hohlräume aufweist, mittels hochsinterfähigem Vollpulver
erzeugt, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikelgröße
zur Ausbildung einer porenfreien Außenhaut und nach Innen Schlicker
schichten mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der äußeren
Außenschale mit nach Innen zunehmender Porengröße eingesetzt werden.
Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, daß sie besonders für hohle
Bauteile wie Zylinder, Töpfe, Gehäuse, Kolben u. a. nutzbringend ein
setzbar ist.
Für eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens werden die
Schlickeransätze als Gießmassen zum Eingießen in eine Schleuderguß
form hergestellt. Anschließend werden die unterschiedlichen Schlicker
lagen für eine äußere Außenschale, einen porösen Kern aus Hohlkugeln
und eine innere Außenschale durch Schleuderguß in einer Schleuderguß
vorrichtung aufgebracht, was vorteilhaft eine sehr genaue Abstufung
in der Reihenfolge der aufzubringenden Schichten ermöglicht.
Bei weiteren bevorzugten Durchführungen des Verfahrens werden
Schlickeransätze als spritzfähige, streichfähige oder spachtelfähige
Massen hergestellt. Anschließend werden unterschiedliche Schlickerlagen
für eine innere Außenschale, einen porösen Kern aus Hohlkugeln und
eine äußere Außenschale auf eine formgebende Oberfläche mittels
Streichen, Spritzen oder Spachteln aufgebracht. Dieses ermöglicht
vorteilhaft, erfindungsgemäße Bauteile auf einer komplexen Ober
fläche herzustellen.
Bei der Herstellung von Bauteilen mit Hohlräumen und erfindungsge
mäßer Struktur wird zunächst auf eine Grundform oder Innenform
ein Schlicker mit Feinpulver für eine dichte innere Außenschale eines
Bauteils aufgetragen und der mittlere Pulverdurchmesser von Lage zu
Lage gesteigert. Danach wird zu Hohlkugelschlickern übergegangen und
ebenfalls von Lage zu Lage der Hohlkugeldurchmesser erhöht bis das
Zentrum des porösen Kerns aufgebaut ist. Danach wird in ähnlicher
Weise zunächst der Hohlkugeldurchmesser von Schlickerlage zu Schlic
kerlage reduziert und abschließend werden die Vollpartikellagen mit
abnehmendem mittleren Partikeldurchmesser aufgebracht, so daß eine
äußere Außenschale das Bauteil abschließt, wobei die Schlickerform
mit der feinsten Pulverstufe ihre Endform erreicht.
Zwischen dem Einbringen jeder Schlickerlage erfolgt vorzugs
weise ein Ausgasen von Lösungsmitteln, so daß vorteilhaft mit
der letzten äußeren Schlickerlage ein Grünling fertiggestellt
ist, der mit oder ohne eine Stützung durch die Schlickerform
oder formgebende Oberfläche einem Ausbrennen von Bindern und/-
oder einem Sinterprozess zugeführt werden kann.
Vorzugsweise wird der Sinterschritt in einer Presse unter Druck
bei Erweichungstemperatur der Hohlkugeln zur Ausbildung von
polygonen Hohlräumen oder Poren vorgenommen. Dadurch entsteht
vorteilhaft ein mit systematisch angeordneten geschlossenen
Poren ausgestattetes Leichtbauteil, das höchsten Flächenbela
stungen ausgesetzt werden kann, da das Material zwischen den
Poren äußerst dicht gesintert ist und aufgrund der graduellen
Zunahme des Porenvolumens zum Zentrum des Kernmaterials des
Bauteils hin eine Aussteifung erfährt, die mit herkömmlichen
Strukturen aus Vollmaterial nicht erreichbar ist.
Das Ausbrennen von Bindern und/oder der Sinterschritt können
vorzugsweise auch unmittelbar nach jedem Einbringen einer
Schlickerlage erfolgen. In diesem Fall nimmmt zwar die Anzahl
der Ausbrenn- und/oder Sinterschritte erheblich zu, anderer
seits wird jedoch eine äußerst präzise gestaltete innere Struk
tur des Kerns bzw. des Bauteils erreicht.
Die aus Vollpartikelmaterial hergestellte, gesinterte Außen
schale des Bauteils kann vorzugsweise durch Infiltration oder
Aufbringen und Eindiffusion von Sintermaterial nachverdichtet
werden, falls eine hohe Festigkeit gegen Mikrorisse, Korrosion
und Erosion erreicht werden soll.
In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens bestehen die
Partikel und Hohlkugeln in den Schlickeransätzen teilweise aus
metallischen Komponenten intermetallischer Verbindungen. Dabei
wird ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen den metallischen
Komponenten dadurch hergestellt, daß entsprechende Gewichts
verhältnisse bei der Zusammensetzung der Kugeln und der Pulver
teilchen eingehalten werden. Beim anschließenden Sinterschritt
wird dann die Reaktionstemperatur zur Ausbildung intermetalli
scher Verbindungen gefahren, so daß vorteilhaft das gesamte
Bauteil nach dem Sinterprozess aus einer intermetallischen
Verbindung besteht, was aufgrund der Härte und Sprödigkeit von
intermetallischen Verbindungen mit Schmieden und spanabhebender
Bearbeitung nicht realisiert werden kann.
Dauer und Temperatur des Sinterschritts müssen dem sinterfähi
gen Material der Vollpartikel und Hohlkugeln des Schlickergus
ses angepaßt sein. Bei einem vorzugsweisen Materialwechsel
zwischen den einzelnen Schlickerlagen kann es deshalb erforder
lich werden, daß einerseits bereits nach Einbringen jeder
Schlickerlage ausgebrannt und/oder gesintert werden muß und
darüber hinaus jeder Brenn- und/oder Sinterschritt bei unter
schiedlich angepaßten Temperaturen für entsprechend angepaßte
Zeitspannen durchzuführen ist.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren beim Sintern ist ein heißi
sostatisches Pressen. Hierzu wird das Bauteil als Grünling oder
in seiner Schlickerform eingekapselt, bevor es den hohen Drüc
ken einer Isostatpresse ausgesetzt wird. Bei diesem heißiso
statischen Pressen verformen sich die Hohlkugeln zu polygonalen
Strukturen, wobei die Hohlkugelwände zu einem dichten massiven
Gerüst zusammensintern.
Die folgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben eines Ver
brennungsmotors.
Fig. 2a zeigt einen Abschnitt einer Turbinenschaufel eines
Triebwerks.
Fig. 2b zeigt eine Turbinenschaufel
Fig. 3 bis 5 zeigen prinzipielle Verfahrensschritte zur Her
stellung von Bauteilen nach Fig. 1 oder Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben 1 eines Ver
brennungsmotors. Dieser Kolben 1 besteht aus einer Metallegie
rung. Er weist eine dichte Außenschale 2 auf, die aus dichtges
intertem Pulvermaterial besteht, wobei das Pulvermaterial der
Außenschale 2 aus mehreren Lagen Schlickerguß entstanden ist. Die
äußerste Lage wurde mit Pulvermaterial aus äußerst kleinen
Partikeln von weniger als 10 µm mittlerem Durchmessers herge
stellt. Zum Innern hin folgen Schlickergußlagen aus Pulvern von
zunehmender Vollpartikelgröße, die einen mittleren Partikel
durchmesser bis 500 µm aufweisen.
An die Außenschale 2 schließt sich ein poröser Kern 3 an. Dieser,
Kern 3 besteht aus gesinterten Hohlkugeln, die lagenweise ge
schichtet sind und zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige
oder polygonale Hohlräume ausbilden. Die sinterfähigen Hohlku
geln für das Kernmaterial werden mittels Schlickerguß lagenwei
se eingebracht, wobei die äußerste Lage des Kerns auf der In
nenseite 4 der Außenschale 2 kleinere Hohlkugeldurchmesser
aufweist, als das innerste Volumen 8, 9 des Kerns.
Je nach Flächenbelastung der Außenschale 2 werden kleinere (für
hohe Flächenbelastung) oder große (für geringe Flächenbelastun
gen) Hohlkugeldurchmesser eingesetzt. So ist beispielsweise im
Bereich der Kolbenbohrungen 5, 6 für die Aufnahme des Bolzens
der Pleuelstange eine Außenschale mit einem engen Kernquer
schnitt 7 vorgesehen und dieser enge Kernquerschnitt mit rela
tiv kleinen Hohlkugeln aufgefüllt, um eine hohe Belastung auf
nehmen zu können. Die großvolumigen Bereiche 8, 9 sind hingegen
mit größeren Hohlkugeln ausgestattet, da hier die Belastung
entsprechend geringer ist.
Die Struktur des Kerns 3 und der Außenschale 2 sind damit in
Gewicht und Festigkeit genau an die Belastungen anpaßbar und
jedes Volumen, das niedrigen Belastungen ausgesetzt ist, kann
mit entsprechen größeren Materialporen ausgestattet werden.
Fig. 2a zeigt einen Abschnitt einer Turbinenschaufel 20, die
aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale 21 und porösem
Kern 23 besteht. Die Außenschale 21 ist aus dichtgesintertem
Pulvermaterial aufgebaut und der Kern 23 besteht aus gesinter
ten Hohlkugeln 24, 25, 26 unterschiedlichen Durchmessers. Diese
Hohlkugeln 24, 25, 26 sind lagenweise geschichtet und bilden
zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige oder polygonale
Hohlräume. Die dichtgesinterten Hohlkugeln 24, 25, 26 stützen
die mit 100 µm relativ dünne Außenschale 21, so daß hohe Flächen
pressungen von der Außenschale 21 aufgenommen werden können. Die
Zugfestigkeit des Schaufelblattes 22 wird durch Fasern 27 er
höht, die in Richtung der Zugbelastung zwischen den Hohlkugeln
im Matrixmaterial eingelagert sind. Als Matrixmaterial wird
feines sinterfähiges Vollpulvermaterial eingesetzt, das in
seiner chemischen Zusammensetzung den Hohlkugeln entspricht
oder deren Material in seiner Sinterfähigkeit verbessert.
Als Fasermaterialien werden bei metallischen Hohlkugeln und
Matrixmaterial vorzugsweise Siliziumkarbidfasern oder Kohlen-
Stoffasern eingesetzt. Bei Schaufelblättern aus Keramik werden
vorzugsweise zwischen den Hohlkugeln in das chemisch gleich
artige Matrixmaterial metallische Fasern eingelegt, so daß sich
hohe Zugfestigkeit der Metalle und hohe Temperaturfestigkeit
der Keramik ergänzen.
Durch Verankerung der Fasern 27 im Schaufelfuß lassen sich vor
teilhaft hochfeste, temperaturbeständige Turbinenschaufeln in
Leichtbauweise realisieren.
Fig. 2b zeigt eine Turbinenschaufel 20 mit Schaufelblatt 30 und
Schaufelfuß 31. Das Schaufelblatt besteht aus einer gesinterten
Außenschale 32, die nur wenige 10 µm dick ist. Die Außenschale 32
wird durch einen Kern aus gesinterten Hohlkugeln 33 gestützt,
so daß hohe Flächenpressungen auf die Außenschale 32 einwirken
können. Darüberhinaus weist der Kern Fasern 34 auf, die entlang
der höchsten Zugbelastung den gesinterten Kern aus Hohlkugeln
durchziehen und im aus Vollpulvermaterial gesinterten Schaufel
fuß 31 verankert sind.
Fig. 3 bis 5 zeigen prinzipielle Verfahrensschritte zur Her
stellung von Bauteilen nach Fig. 1 oder Fig. 2. Dazu werden
zunächst mehrere Schlickeransätze mit Wasser oder Alkohol und/oder
darin löslichen Bindern sowohl mit Vollpulvern unterschiedli
cher Partikelgröße als auch mit Hohlkugeln unterschiedlichen
Durchmessers hergestellt. Als nächstes wird eine innere Außen
schale 41, wie in Fig. 3 dargestellt, als Erstschicht mit hoch
sinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform hergestellt.
Dazu kann Schlicker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung
einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten
mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der Außenschale
nacheinander eingesetzt werden.
Eine Schlickerform für diesen Schritt zeigt Fig. 3. Die
Schlickerform ist in diesem Beispiel zweiteilig und besteht aus
einem Außenzylinder 48 und einem Innenzylinder 49, wobei der
Innenzylinder beim Einbringen der unterschiedlichen Schlicker
ansätze in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenzylinder
für alle Schlickerlagen unverändert bleibt. Der Außenzylinder
wird dagegen für jede Schlickerlage gewechselt, wobei der In
nendurchmesser des Außenzylinders mit jedem Schritt in Richtung
der Pfeile A in Fig. 4 vergrößert wird. Dadurch wird ermög
licht, daß sowohl die Pulverpartikel für die Außenschale 41 als
auch die Hohlkugeln für den inneren Stützkern in Ihren Durch
messern lagenweise anwachsen können.
Außen- und Innenzylinder weisen in diesem Beispiel an ihren
unteren Enden Flansche 50, 51 auf, zwischen denen eine Ring
dichtung 53 angeordnet ist. Die Ringdichtung dichtet den Zwi
schenraum zwischen den beiden Flanschen des Innen- und Außen
zylinders ab. Der Außenzylinder kann aus einem semipermeablen
Material gefertigt werden, was vorteilhaft eine schnelle Trock
nung der Schlickerschicht begünstigt, ohne daß die Schlicker
schicht an Vollpartikeln oder Hohlkugeln verarmt.
Nachdem beispielsweise die innere Außenschale 41 durch zwei
Schlickerlagen, die eine äußere Schlickerlage mit Vollpartikeln
eines mittleren Partikeldurchmesser zwischen 10 und 30 µm und
eine innere Schlickerlage mit Vollpartikeln eines mittleren
Partikeldurchmesser zwischen 30 und 100 µm umfaßt, mittels zwei
Außenzylindern unterschiedlichen Durchmessers hergestellt ist,
wird die erste Schlickerlage des Kernmaterials aufgebracht.
Dazu wird der zweite Außenzylinder gegen einen dritten Außen
zylinder mit entsprechend größerem Innendurchmesser ausge
tauscht und der Zwischenraum zwischen der inneren Außenschale
41 und dem Außenzylinder mit einem Schlickeransatz mit Hohlku
geln eines mittleren Durchmessers von 100 bis 150 µm aufge
füllt, so daß die erste Hohlkugelschlickerlage 42 gebildet
wird.
Weitere Hohlkugelschlickerlagen 43, 44 mit zunehmendem mittleren
Hohlkugeldurchmesser folgen, wie in Fig. 5 abgebildet. Die
Hohlkugelschlickerlage 43 hat dabei einen mittleren Durchmes
ser von 1 bis 1,5 mm und die Hohlkugelschlickerlage 44 einen
Holkugeldurchmesser von 3 bis 5 mm.
Anschließend werden Schlickerlagen in umgekehrter Reihenfolge
mit abnehmenden Hohlkugeldurchmessern und abnehmenden Vollpar
tikeldurchmessern eingebracht, bis die äußere Außenschale 47
aufgebaut ist und ein topfförmiges Bauteil als Grünling herge
stellt ist. Dieser topfförmige Grünling wird nun zu einem
Leichtbauteil für hohe Flächenpressungen gebrannt und gesin
tert. Das Brennen erfolgt für Bauteile aus Eisen-Nickellegie
rungen unter, Vakuum bei 450°C für 5 Stunden und das Sintern
bei 1350°C für 15 Minuten im Vakuum.
Durch eine komplexere Formgebung der Schlickerform können mit
diesem Verfahren die in Fig. 1 und 2 abgebildeten Bauteile
gefertigt werden. Dabei kann das Verfahren dahingehend modifi
ziert werden, daß zwischen den Schlickergußlagen Fasern zur
Verstärkung des Bauteils eingebracht werden. Auch können die
Hohlräume zwischen den Hohlkugeln durch Vollpartikelmateria
lien, die dem Schlickeransatz mit Hohlkugeln zugegeben werden,
mit Matrixmaterial aufgefüllt werden. Es ist außerdem möglich,
durch heißisostatisches Pressen des Grünlings die Hohlräume
zwischen den Hohlkugeln ohne Zugabe von Vollpartikeln zu
schließen. Dadurch entstehen im Kernbereich des Bauteils poly
gonale Hohlräume oder Poren bei minimalem Bauteilgewicht. Für
Bauteile aus Eisen-Nickellegierungen erfolgt das heißisostati
sche Pressen bei einer Temperatur von 1350°C unter einem Druck
von 1 MP für 1 Stunde in Inertgasatmosphäre, beispielsweise in
Argon.
Weitere vorteilhafte Anwendungen für dieses Verfahren bilden die
Herstellung von Maschinenteilen von Motor- und von Triebwerkskom
ponenten, wie Zahnräder, Rotorscheiben, Gehäusen, Ventilen, Düsen
wänden oder Klappen. Die für diese Komponenten zu verarbeitenden
Materialien sind neben Keramiken und faserverstärkten Keramiken
vorzugsweise Eisen-, Titan-, Kobalt- oder Nickelbasislegierungen.
Claims (22)
1. Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale (2; 21; 32) und porösem Kern (3; 23), wobei
die Außenschale (2; 21; 32) aus dichtgesintertem Pulvermaterial besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern (3; 23) zur Aufnahme hoher Flächenpressungen der Außenschale (2; 21; 32) gesinterte
Hohlkugeln (24, 25, 26; 33) aufweist, die lagenweise geschichtet sind und zum Kernzentrum hin grö
ßer werdende kugelige oder polygonale Hohlräume ausbilden.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß enge Kern
querschnitte (7) kleinere Hohlräume aufweisen als weite Kernquer
schnitte (8, 9).
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) mit Material aufge
füllt sind.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) mit
gesintertem Material gefüllt sind.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) Fasermaterial
(27, 34) enthalten, das teilweise oder vollständig von Matrixmaterial
umgeben ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus Metall
sind.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus inter
metallischen Verbindungen bestehen.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus Keramik
sind.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialdichte von der Außenschale (2, 21, 32) zum Zentrum
(8, 9) des Kerns (3, 23) hin von nahezu 100% auf bis zu 3% abnimmt und
die Porosität entsprechend von annähernd 0% auf bis zu 97% anwächst.
10. Bauteil nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) im Kern (3, 23) einen von Außen nach Innen
anwachsenden Innendurchmesser aufweisen, der zwischen 0,01 und 10 mm,
vorzugsweise zwischen 0,3 bis 5 mm liegt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metall oder
Keramik mit dichter, geschlossener Außenschale und porösem
Kern nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
- a) Herstellen von Schlickern mit Wasser oder Alkohol und/oder Bindern in unterschiedlichen Ansätzen sowohl mit Vollpulvern unterschiedlicher Partikel größe als auch mit Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) unterschiedlichen Durchmessers.
- b) Erzeugen einer Außenschale (2, 21, 32) als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlicker form, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Par tikelgröße zur Ausbildung einer feinporigen Außen haut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmen der Partikelgröße zur Ausbildung der Außenschale (2, 21, 32) eingesetzt werden,
- c) Erzeugen eines porösen Kerns (3, 23) mittels Schlickern aus Hohlkugeln, (24, 25, 26, 33) wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel-Schlickern mit zunehmendem Kugeldurchmesser von Innen auf die Außenschale aufgebracht werden,
- d) Ausbrennen von Lösungsmitteln und Bindern und Sintern der Schlickerschichten ganz oder teilweise in der Schlickerform zu einem Bauteil.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Her
stellung eines hohlen Bauteils mit dichter geschlossener Außenschale
(2) und porösem Kern (3) zunächst eine innere Außenschale (41) als
Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform
hergestellt wird, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikel
größe zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen
Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröse zur Ausbildung der
inneren Außenschale (41) eingesetzt werden und anschließend ein porö
ser Kern (42, 43, 44) erzeugt wird, wobei weitere Schichten lagenweise
aus Hohlkugel-Schlickern mit zunächst zunehmendem und anschließend
abnehmendem Kugeldurchmesser auf die innere Außenschale aufgebracht
werden und schließlich eine äußere Außenschale (47) mit hoch
sinterfähigem Vollpulver erzeugt wird, wobei vorzugsweise Schlic
ker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer porenfreien
Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikel
größe zur Ausbildung der Außenschale (47) mit nach Innen zunehmender
Porengröße eingesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß
Schlickeransätze als Gießmassen zum Eingießen in eine Schleuder
gußform hergestellt werden und unterschiedliche Schlickerlagen für
eine äußere Außenschale (47) einen porösen Kern (42, 43, 44) aus
Hohlkugeln und eine innere Außenschale (41) durch Schleuderguß
in einer Schleudergußvorrichtung aufgebracht werden.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß
Schlickeransätze als spritzfähige, streichfähige oder spachtel
fähige Massen hergestellt werden und unterschiedliche Schlicker
lagen für eine innere Außenschale (41) einen porösen Kern (42, 43,
44) aus Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) und eine äußere Außenschale (47)
auf eine formgebende Oberfläche mittels Streichen, Spritzen oder
Spachteln aufgebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter
schiedliche Schlickeransätze für die Außenschale (21) und den
porösen Kern (23) aus Hohlkugeln (24, 25, 26) nacheinander in eine
Schlickerform über eine Eingußöffnung gegossen werden und jeweils
nach Anlegen einer Schlickerschicht an die inneren Oberflächen
der Form die Reste der unterschiedlichen Schlickeransätze über die
Eingußöffnung ausgebracht werden und abschließend die Einguß
öffnung mit einer Folge von unterschiedlichen Schlickergußlagen
verschlossen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sinterschritt in einer Presse unter Druck bei
Erweichungstemperatur der Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) zur Ausbildung von
polygonen Hohlräumen oder Poren vorgenommen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeich
net, daß nach dem Einbringen jeder Schlickerlage ein Aus
gasen von Lösungsmitteln erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Einbringen jeder Schlickerla
ge ein Ausbrennen von Bindern und ein Sinterschritt er
folgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Außenschale (2, 21, 32) durch Infiltration
oder Aufbringen und Eindiffusion von Sintermaterial nach
verdichtet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Partikel und Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) den
Schlickeransätzen teilweise aus metallischen Komponenten
intermetallischer Verbindungen bestehen und der Sinter
schritt bei Reaktionstemperaturen zur Ausbildung inter
metallischer Verbindungen durchgeführt wird
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß Dauer und Temperatur des Sinter
schritts dem sinterfähigen Material der Vollpartikel und
Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) des Schlickergusses angepaßt sind.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bauteil (1, 20) nach dem Sintern oder
beim Sintern heißisostatisch gepreßt wird.
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