EP1644149A2 - Method for making gas turbine elements and corresponding element - Google Patents

Method for making gas turbine elements and corresponding element

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Publication number
EP1644149A2
EP1644149A2 EP04762355A EP04762355A EP1644149A2 EP 1644149 A2 EP1644149 A2 EP 1644149A2 EP 04762355 A EP04762355 A EP 04762355A EP 04762355 A EP04762355 A EP 04762355A EP 1644149 A2 EP1644149 A2 EP 1644149A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blades
blade segment
blade
segment
injection molding
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04762355A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Bohdahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22F3/225—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip by injection molding
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    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/22—Manufacture essentially without removing material by sintering

Definitions

  • the invention relates to a method for producing components, namely blade segments, for a gas turbine, in particular for an aircraft engine.
  • the invention further relates to such a component, namely a blade segment, for a gas turbine.
  • the most important materials used today for aircraft engines or other gas turbines are titanium alloys, nickel alloys (also known as super alloys) and high-strength steels.
  • the high-strength steels are used for shaft parts, gear parts, compressor housings and turbine housings. Titanium alloys are typical materials for compressor parts. Nickel alloys are suitable for the hot parts of the aircraft engine.
  • the present invention is based on the problem of proposing a novel method for producing components, namely vane segments, a gas turbine and a corresponding component.
  • each blade segment comprises at least two blades, the blade segment being produced from a plurality of blades by powder metallurgical injection molding. It is a finding of the present invention that the manufacture of blade segments, which comprise at least two blades, with the aid of powder metallurgical injection molding, can significantly reduce the manufacturing costs.
  • the guide vane segment preferably comprises three or four guide vanes.
  • molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding for producing a blade segment from at least two blades, the molded bodies of the blades being assembled into a molded body for the blade segment prior to a debinding process.
  • the blades are joined to the blade segment here in the so-called green state.
  • molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding to produce a blade segment from at least two blades, the molded bodies of the blades being subjected separately to a debinding process, and then the molded bodies of the blades being formed into a molded body for the blade segment are assembled.
  • the blades are joined to the blade segment here in the so-called pre-sintered state.
  • a blade segment from at least two Blades a common molded body for the blade segment, that is, for all blades of the blade segment, manufactured by injection molding.
  • the blades are joined to the blade segment here by spraying in a tool.
  • the present invention relates to the production of blade segments of a gas turbine, in particular an aircraft engine, by powder metallurgical injection molding.
  • Powder metallurgical injection molding is also known as metal injection molding (MIM).
  • MIM metal injection molding
  • a metal powder, hard metal powder or ceramic powder is provided.
  • the metal powder provided in process step 10 and the binder and plasticizer provided in process step 11 are mixed and homogenized in process step 12 so that a homogeneous mass is formed.
  • the volume proportion of the metal powder in the homogeneous mass is preferably between 50% and 70%.
  • the proportion of binder and plasticizer in the homogeneous mass therefore fluctuates approximately between 30% and 50%.
  • This homogeneous mass of metal powder, binder and plasticizer is further processed in the sense of step 13 by injection molding. Moldings are manufactured during injection molding. These moldings already have all the typical features of the components to be produced.
  • the shaped bodies have the geometric shape of the component to be manufactured. However, they have a volume increased by the binder content and plasticizer content.
  • Process step 14 can also be referred to as a final binding process or as a dewaxing step. Binding agents and plasticizers can be driven out in different ways. This is usually done by fractional, thermal decomposition or evaporation. Another possibility is to suck out the thermally liquefied binding and plasticizing agents by capillary forces, by sublimation or by solvents.
  • the shaped bodies are sintered in the sense of step 15.
  • the molded bodies are compressed into the components with the final geometric properties. Accordingly, during the sintering, the shaped bodies become smaller, the dimensions of the shaped bodies having to shrink uniformly in all three spatial directions.
  • the linear swing is between 10% and 20% depending on the binder content and plasticizer content.
  • the sintering can be carried out under various protective gases or under vacuum.
  • step 16 the finished component is present, which is represented by step 16 in FIG. 1.
  • the component can still be subjected to a finishing process in the sense of step 17.
  • the finishing process is optional.
  • a ready-to-install component can already be present immediately after sintering.
  • blade segments from a plurality of blades by means of powder metallurgical injection molding.
  • powder metallurgical injection molding Through the combination nation of powder metallurgical injection molding with the combination of several individual blades into blade segments, the manufacturing costs can be significantly reduced. It is preferred to combine three or four guide vanes into one guide vane segment, which is produced by powder metallurgical injection molding.
  • FIG. 2 shows a blade segment 18 with four guide blades 19, the four guide blades 19 being connected to one another via an inner shroud 20 and an outer shroud 21.
  • a section of the inner shroud 20 and of the outer shroud 21 is assigned to each guide vane 19, the individual four guide vanes 19 being joined together via the respective sections of the inner shroud 20 and outer shroud 1 or being combined to form the blade segment 18.
  • the joining of the individual blades 19 to the blade segment 18 in powder metallurgical injection molding can be carried out in three different ways.
  • a first possibility for joining the blades to a blade segment can be referred to as joining in the green state.
  • a second possibility for joining the blades to a blade segment is referred to as joining in the presintered state, a third possibility as joining by spraying in a tool.
  • molded bodies are produced separately by injection molding in order to produce a blade segment from a plurality of blades for each blade, including the respective sections of the outer shroud and inner shroud. These moldings in which still the binder and plasticizer is contained, are then combined into a molded body for the entire blade segment.
  • the shaped bodies of the individual blades are positioned one behind the other or next to one another in accordance with the desired sequence of the blades, the respectively adjacent sections of the outer shroud and inner shroud touching one another.
  • the position of the shaped bodies of the individual blades relative to one another can optionally be secured by a device, for example by clips.
  • the molded body thus formed for the entire blade segment is then subjected to a uniform debinding process for removing the binder and plasticizer.
  • the binder is softened and withdrawn from the molded body, small unevenness in the contacting contact surfaces is compensated for and suitable contact surfaces are thus created.
  • the molded body for the entire blade segment is then preferably waxed and presintered.
  • the connection between the individual blades is so firm that the fixing of the individual molded bodies of the individual blades can be released.
  • the molded body of the blade segment is then actually sintered until the blade segment to be produced is present. With this joining alternative, a good connection between the individual blades of the blade segment can be achieved, which can hardly be distinguished from the connection in the base material.
  • An alternative to joining in the green state is joining in the pre-sintered state.
  • individual moldings are first produced separately for each blade by injection molding. These molded bodies of the individual blades are subjected to a debinding process separately in order to dewax the molded bodies or to remove the binder and the plasticizer from the molded bodies of the individual blades.
  • the molded bodies of the individual blades are presintered separately. During pre-sintering, there is still no process of shrinking or noticeable shrinkage of the molded articles. In this presintered state, the shaped bodies of the individual blades are put together to form a shaped body for the blade segment.
  • This molded body for the blade segment is then subjected to uniform sintering.
  • the Position of the moldings of the individual blades are secured to one another or fixed. This can be done using parentheses, for example.
  • the clamp can impair the freedom of movement of the molded body during sintering, better results can be achieved when joining in the green state than when joining in the presintered state.
  • the restriction of freedom of movement during sintering can lead to undesired deformations and cracks in the finished component.
  • assembling the shaped bodies of the individual shovels in the presintered state has the advantage that the wall thicknesses of the individual parts and not the wall thickness of the assembled part must be taken into account during the delivery process, in particular during dewaxing. When joining in the pre-sintered state, this results in a reduced process time for the delivery process. When joining in the pre-sintered state, blade segments can therefore be produced more quickly.
  • Another alternative is joining by spraying in one tool.
  • a common molded body for the blade segment that is to say for all blades of the same during injection molding, is produced for producing a blade segment from several blades.
  • This molded body for the entire blade segment is then subjected as a unit to a uniform delivery process with subsequent, uniform sintering.
  • a perfect connection between the individual blades can be established.
  • a blade half is then produced in a first operation. This blade half is placed together with a core, which depicts the cooling channels, in a mold cavity for injection molding, which is then completely filled. The core is then melted out and the molded body for the blade segment is then available. After inserting one blade half into the mold cavity and before filling the mold cavity, the blade half already inserted can be preheated to improve the bond.
  • a blade segment comprising, for example, four blades by using two sub-blade segments to produce two blades each.
  • the two sub-blade segments, each consisting of two blades could be produced, for example, by spraying in a tool, whereas these two sub-segments can then be connected to one another by joining in the green state.
  • other combinations are also conceivable.
  • the blade segment is preferably a guide blade segment comprising a plurality of guide blades for an aircraft engine.

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Abstract

The invention concerns a method for making elements, namely gas turbine blade segments, in particular for an aircraft power train The invention is characterized in that each blade segment comprises at least two blades, one segment being produced by injection moulding of metal powder of several blades. The invention also concerns such a blade segment.

Description

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen einer Gasturbine sowie entsprechendes Bauteil Process for the production of components of a gas turbine and corresponding component
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, nämlich von Schaufelsegmenten, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk. Weiterhin betrifft die Erfindung ein solches Bauteil, nämlich ein Schaufelsegment, für eine Gasturbine.The invention relates to a method for producing components, namely blade segments, for a gas turbine, in particular for an aircraft engine. The invention further relates to such a component, namely a blade segment, for a gas turbine.
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.Modern gas turbines, especially aircraft engines, have to meet the highest demands in terms of reliability, weight, performance, economy and service life. In the past few decades, aircraft engines have been developed, particularly in the civil sector, which fully meet the above requirements and have achieved a high level of technical perfection. Among other things, the selection of materials, the search for new, suitable materials and the search for new manufacturing processes play a decisive role in the development of aircraft engines.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugzeugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierun- gen 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.The most important materials used today for aircraft engines or other gas turbines are titanium alloys, nickel alloys (also known as super alloys) and high-strength steels. The high-strength steels are used for shaft parts, gear parts, compressor housings and turbine housings. Titanium alloys are typical materials for compressor parts. Nickel alloys are suitable for the hot parts of the aircraft engine.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Fertigung von Schaufeln, insbesondere von Leitschaufeln, für Flugzeugtriebwerke bekannt. Als aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren für die Fertigung von Schaufeln, insbesondere Leitschaufeln, seien hier das Schmieden und Feingießen genannt. Schaufelblätter im Verdichterbereich sind üblicherweise Schmiedeteile, während alle Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine in der Regel Feingussteile sind. Auch ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Schaufeln mithilfe des ECM-Verfahrens, einer sogenannten einer elektrochemischen Bearbeitung, herzustellen. Nach dem Stand der Technik wird bei den oben genannten Fertigungsverfahren zur Herstellung der Schaufeln so vorgegangen, dass jede Schaufel einzeln für sich hergestellt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind teuer.Numerous methods for manufacturing blades, in particular guide blades, for aircraft engines are known from the prior art. Forging and precision casting may be mentioned here as methods known from the prior art for the manufacture of blades, in particular guide blades. Airfoils in the compressor area are usually forged parts, while all rotor blades and guide vanes of the turbine are usually precision castings. It is also known from the prior art to manufacture blades with the aid of the ECM method, a so-called electrochemical processing. According to the prior art, the above-mentioned manufacturing processes for producing the Buckets proceeded so that each bucket is made individually. The methods known from the prior art are expensive.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, nämlich von Schaufelsegmenten, einer Gasturbine sowie ein entsprechendes Bauteil vorzuschlagen.Proceeding from this, the present invention is based on the problem of proposing a novel method for producing components, namely vane segments, a gas turbine and a corresponding component.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, nämlich von Schaufelsegmenten, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtreibwerk, gelöst, bei dem jedes Schaufelsegment mindestens zwei Schaufeln umfasst, wobei das Schaufelsegment aus mehreren Schaufeln durch pulvermetallurgisches Spitzgießen hergestellt wird. Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass durch Herstellung von Schaufelsegmenten, die mindestens zwei Schaufeln umfassen, mithilfe des pulvermetallurgischen Spitzgießens die Herstellungskosten erheblich reduziert werden können. Vorzugsweise umfasst das Leitschaufelsegment drei oder vier Leitschaufeln.This problem is solved by a method for producing components, namely blade segments, for a gas turbine, in particular for an aircraft engine, in which each blade segment comprises at least two blades, the blade segment being produced from a plurality of blades by powder metallurgical injection molding. It is a finding of the present invention that the manufacture of blade segments, which comprise at least two blades, with the aid of powder metallurgical injection molding, can significantly reduce the manufacturing costs. The guide vane segment preferably comprises three or four guide vanes.
Nach einer ersten bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln Formkörper für jede Schaufel getrennt durch Spritzgießen gefertigt, wobei die Formkörper der Schaufeln vor einem Entbindungsprozess zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden. Das Fügen der Schaufeln zum Schaufelsegment erfolgt hier im sogenannten grünen Zustand.According to a first preferred development of the method according to the invention, molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding for producing a blade segment from at least two blades, the molded bodies of the blades being assembled into a molded body for the blade segment prior to a debinding process. The blades are joined to the blade segment here in the so-called green state.
Nach einer zweiten, alternativen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln Formkörper für jede Schaufel getrennt durch Spritzgießen gefertigt, wobei die Formkörper der Schaufeln getrennt einem Entbindungsprozess unterzogen werden, und wobei anschließend die Formkörper der Schaufeln zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden. Das Fügen der Schaufeln zum Schaufelsegment erfolgt hier im sogenannten vorgesinterten Zustand.According to a second, alternative preferred development of the method according to the invention, molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding to produce a blade segment from at least two blades, the molded bodies of the blades being subjected separately to a debinding process, and then the molded bodies of the blades being formed into a molded body for the blade segment are assembled. The blades are joined to the blade segment here in the so-called pre-sintered state.
Nach einer dritten, alternativen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln ein gemeinsamer Formkörper für das Schaufelsegment, also für alle Schaufeln des Schaufelsegments, durch Spritzgießen gefertigt. Das Fügen der Schaufeln zum Schaufelsegment erfolgt hier durch Spritzen in einem Werkzeug.According to a third, alternative preferred development of the method according to the invention, the manufacture of a blade segment from at least two Blades a common molded body for the blade segment, that is, for all blades of the blade segment, manufactured by injection molding. The blades are joined to the blade segment here by spraying in a tool.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist im unabhängigen Patentanspruch 13 definiert.The component according to the invention is defined in independent claim 13.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Preferred developments of the invention result from the dependent subclaims and the following description.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being restricted to this. The drawing shows:
Fig. 1 : ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte beim pulvermetallurgischen Spitzgießen; und1: a block diagram to illustrate the individual process steps in powder metallurgical injection molding; and
Fig. 2: ein erfindungsgemäßes Schaufelsegment in perspektivischer Seitenansicht.2: an inventive blade segment in a perspective side view.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Schaufelsegmenten einer Gasturbine, insbesondere eines Flugzeugtreibwerks, durch pulvermetallurgisches Spitzgießen. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moul- ding (MIM) bezeichnet. Bevor auf die Details der erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen wird, sollen nachfolgend die Grundzüge des pulvermetallurgischen Spitzgießens unter Bezugnahme auf Fig. 1 dargestellt werden.The present invention relates to the production of blade segments of a gas turbine, in particular an aircraft engine, by powder metallurgical injection molding. Powder metallurgical injection molding is also known as metal injection molding (MIM). Before going into the details of the method according to the invention, the basic features of powder metallurgical injection molding will be illustrated below with reference to FIG. 1.
In einem ersten Schritt 10 wird ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder Keramikpulver bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 1 1 werden ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel, z. B. ein Wachs, bereitgestellt. Das im Verfahrensschritt 10 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 1 1 bereitgestellte Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden im Verfahrensschritt 12 gemischt und homogenisiert, 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.In a first step 10, a metal powder, hard metal powder or ceramic powder is provided. In a second step 11 a binder and optionally a plasticizer, e.g. B. a wax provided. The metal powder provided in process step 10 and the binder and plasticizer provided in process step 11 are mixed and homogenized in process step 12 so that a homogeneous mass is formed. The volume proportion of the metal powder in the homogeneous mass is preferably between 50% and 70%. The proportion of binder and plasticizer in the homogeneous mass therefore fluctuates approximately between 30% and 50%. This homogeneous mass of metal powder, binder and plasticizer is further processed in the sense of step 13 by injection molding. Moldings are manufactured during injection molding. These moldings already have all the typical features of the components to be produced. In particular, the shaped bodies have the geometric shape of the component to be manufactured. However, they have a volume increased by the binder content and plasticizer content.
Im nachgeschalteten Schritt 1 wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus dem Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 14 kann man auch als Endbindungsprozess oder als Entwachsungsschritt 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.In the subsequent step 1, the binder and the plasticizer are expelled from the molded body. Process step 14 can also be referred to as a final binding process or as a dewaxing step. Binding agents and plasticizers can be driven out in different ways. This is usually done by fractional, thermal decomposition or evaporation. Another possibility is to suck out the thermally liquefied binding and plasticizing agents by capillary forces, by sublimation or by solvents.
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 endgültigen, 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 Schwung beträgt abhängig vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10 % und 20 %. Das Sintern kann unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum durchgeführt werden.Following the confinement process in the sense of step 14, the shaped bodies are sintered in the sense of step 15. During the sintering, the molded bodies are compressed into the components with the final geometric properties. Accordingly, during the sintering, the shaped bodies become smaller, the dimensions of the shaped bodies having to shrink uniformly in all three spatial directions. The linear swing is between 10% and 20% depending on the binder content and plasticizer content. The sintering can be carried out under various protective gases or under vacuum.
Nach dem Sintern liegt das fertige Bauteil vor, was in Fig. 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.After sintering, the finished component is present, which is represented by step 16 in FIG. 1. If necessary, after the sintering (step 15), the component can still be subjected to a finishing process in the sense of step 17. However, the finishing process is optional. A ready-to-install component can already be present immediately after sintering.
Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Schaufelsegmente aus mehreren Schaufeln durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen. Durch die Kombi- nation des pulvermetallurgischen Spritzgießens mit der Zusammenfassung von mehreren einzelnen Schaufel zu Schaufelsegmenten, können die Fertigungskosten deutlich reduziert werden. Bevorzugt ist die Zusammenfassung von drei oder vier Leitschaufeln zu einem Leitschaufelsegment, welches durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird.It is within the meaning of the present invention to produce blade segments from a plurality of blades by means of powder metallurgical injection molding. Through the combination nation of powder metallurgical injection molding with the combination of several individual blades into blade segments, the manufacturing costs can be significantly reduced. It is preferred to combine three or four guide vanes into one guide vane segment, which is produced by powder metallurgical injection molding.
So zeigt Fig. 2 ein Schaufelsegment 18 mit vier Leitschaufeln 19, wobei die vier Leitschaufeln 19 über ein Innendeckband 20 sowie ein Außendeckband 21 miteinander verbunden sind. Jeder Leitschaufel 19 ist ein Abschnitt des Innendeckbands 20 sowie des Außendeckbands 21 zugeordnet, wobei die einzelnen vier Leitschaufeln 19 über die jeweiligen Abschnitte von Innendeckband 20 und Außendeckband 1 zusammengefügt bzw. zu dem Schaufelsegment 18 zusammengefasst sind.2 shows a blade segment 18 with four guide blades 19, the four guide blades 19 being connected to one another via an inner shroud 20 and an outer shroud 21. A section of the inner shroud 20 and of the outer shroud 21 is assigned to each guide vane 19, the individual four guide vanes 19 being joined together via the respective sections of the inner shroud 20 and outer shroud 1 or being combined to form the blade segment 18.
Das Zusammenfügen der einzelnen Schaufeln 19 zu dem Schaufelsegment 18 beim pulvermetallurgischen Spritzgießen kann auf drei unterschiedliche Art und Weisen durchgeführt werden. Eine erste Möglichkeit zum Fügen der Schaufeln zu einem Schaufelsegment kann als Fügen im grünen Zustand bezeichnet werden. Eine zweite Möglichkeit zum Fügen der Schaufeln zu einem Schaufelsegment wird als Fügen im vorgesinterten Zustand bezeichnet, eine dritte Möglichkeit als Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug.The joining of the individual blades 19 to the blade segment 18 in powder metallurgical injection molding can be carried out in three different ways. A first possibility for joining the blades to a blade segment can be referred to as joining in the green state. A second possibility for joining the blades to a blade segment is referred to as joining in the presintered state, a third possibility as joining by spraying in a tool.
Bevor nachfolgend auf die Details der drei Fügealternativen eingegangen wird, soll vorab angemerkt werden, dass beim Fügen im grünen Zustand sowie beim Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug bessere Fügeergebnisse erzielt werden können, als beim Fügen im vorgesinterten Zustand. Dies liegt daran, dass beim Fügen im grünen Zustand sowie beim Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug eine engere Berührung der zu fügenden Flächen gegeben ist, wodurch das Fügeergebnis positiv beeinflusst wird. Es können jedoch auch mit dem Fügen im vorgesinterten Zustand zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden.Before going into the details of the three joining alternatives below, it should be noted in advance that better joining results can be achieved when joining in the green state and when joining by spraying in a tool than when joining in the pre-sintered state. This is due to the fact that when joining in the green state and when joining by spraying in a tool, there is closer contact with the surfaces to be joined, which has a positive influence on the joining result. However, satisfactory results can also be achieved with joining in the presintered state.
Bei der ersten Fügealternative, die als Fügen im grünen Zustand bezeichnet wird, werden zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mehreren Schaufeln für jede Schaufel inklusive der jeweiligen Abschnitte von Außendeckband und Innendeckband getrennt Formkörper durch Spritzgießen gefertigt. Diese Formkörper, in denen noch das Bindemittel und Plastifizierungsmittel enthalten ist, werden dann zu einem Formkörper für das gesamte Schaufelsegment zusammengefasst. Hierzu werden die Formkörper der einzelnen Schaufeln entsprechen der gewünschten Reihenfolge der Schaufeln hintereinander bzw. nebeneinander positioniert, wobei die jeweils benachbarten Abschnitte von Außendeckband und Innendeckband einander berühren. Die Position der Formkörper der einzelnen Schaufeln relativ zueinander kann ggf. durch eine Vorrichtung, zum Beispiel durch Klammern, gesichert werden. Der so gebildete Formkörper für das gesamte Schaufelsegment wird darauffolgend einem einheitlichen Entbindungsprozess zum Entfernen des Bindemittels und Plastifizierungs- mittels unterzogen. Bei der Erweichung und beim Entzug des Binders aus dem Formkörper werden kleine Unebenheiten in den einander berührenden Fügeflächen ausgeglichen und somit geeignete Kontaktflächen geschaffen. Der Formkörper für das gesamte Schaufelsegment wird dann vorzugsweise entwachst und vorgesintert. Bereits nach dem Vorsintern ist die Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln so fest, dass die Fixierung der einzelnen Formkörper der Einzelschaufeln gelöst werden kann. Im Anschluss erfolgt das eigentliche Sintern des Formkörpers des Schaufelsegments, bis das herzustellende Schaufelsegment vorliegt. Bei dieser Fügealternative kann eine gute Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln des Schaufelsegments erzielt werden, die sich von der Verbindung im Grundwerkstoff so gut wie nicht mehr unterscheiden lässt.In the first joining alternative, which is referred to as joining in the green state, molded bodies are produced separately by injection molding in order to produce a blade segment from a plurality of blades for each blade, including the respective sections of the outer shroud and inner shroud. These moldings in which still the binder and plasticizer is contained, are then combined into a molded body for the entire blade segment. For this purpose, the shaped bodies of the individual blades are positioned one behind the other or next to one another in accordance with the desired sequence of the blades, the respectively adjacent sections of the outer shroud and inner shroud touching one another. The position of the shaped bodies of the individual blades relative to one another can optionally be secured by a device, for example by clips. The molded body thus formed for the entire blade segment is then subjected to a uniform debinding process for removing the binder and plasticizer. When the binder is softened and withdrawn from the molded body, small unevenness in the contacting contact surfaces is compensated for and suitable contact surfaces are thus created. The molded body for the entire blade segment is then preferably waxed and presintered. Already after the pre-sintering, the connection between the individual blades is so firm that the fixing of the individual molded bodies of the individual blades can be released. The molded body of the blade segment is then actually sintered until the blade segment to be produced is present. With this joining alternative, a good connection between the individual blades of the blade segment can be achieved, which can hardly be distinguished from the connection in the base material.
Eine Alternative zum Fügen im grünen Zustand ist das Fügen im vorgesinterten Zustand. Auch beim Fügen im vorgesinterten Zustand werden zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mehreren Schaufeln zuerst für jede Schaufel einzelne Formkörper getrennt durch Spritzgießen gefertigt. Diese Formkörper der einzelnen Schaufeln werden getrennt für sich einem Entbindungsprozess unterzogen, um die Formkörper zu entwachsen bzw. um das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern der einzelnen Schaufeln zu entfernen. Weiterhin werden nach dieser Alternative die Formkörper der einzelnen Schaufeln getrennt für sich vorgesintert. Beim Vorsintern findet noch kein Seh rümpf ungsprozess bzw. kein merklicher Schrumpfungsprozess der Formkörper statt. In diesem vorgesinterten Zustand werden die Formkörper der einzelnen Schaufeln zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt. Dieser Formkörper für das Schaufelsegment wird darauffolgend einem einheitlichen Sintern unterzogen. Während des Sintems muss die Position der Formkörper der einzelnen Schaufel zueinander gesichert bzw. fixiert werden. Dies kann zum Beispiel durch Klammern erfolgen. Da jedoch die Klammer die Bewegungsfreiheit des Formkörpers beim Sintern beeinträchtigen kann, lassen sich beim Fügen im grünen Zustand bessere Ergebnisse erzielen als beim Fügen im vorgesinterten Zustand. Die Einschränkung der Bewegungsfreiheit beim Sintern kann nämlich zu ungewünschten Deformationen und Rissen am fertigen Bauteil führen. Das Zusammensetzen der Formkörper der einzelnen Schaufein im vorgesinterten Zustand verfügt jedoch über den Vorteil, dass beim Entbindungsprozesse, insbesondere beim Entwachsen, die Wanddicken der Einzelteile und nicht die Wanddicke des zusammengesetzten Teils berücksichtigt werden muss. Beim Fügen im vorgesinterten Zustand ergibt sich demnach eine verringerte Prozesszeit für den Entbindungsprozess. Beim Fügen im vorgesinterten Zustand lassen sich demnach Schaufelsegmente schneller herstellen.An alternative to joining in the green state is joining in the pre-sintered state. Even when joining in the pre-sintered state, in order to produce a blade segment from several blades, individual moldings are first produced separately for each blade by injection molding. These molded bodies of the individual blades are subjected to a debinding process separately in order to dewax the molded bodies or to remove the binder and the plasticizer from the molded bodies of the individual blades. Furthermore, according to this alternative, the molded bodies of the individual blades are presintered separately. During pre-sintering, there is still no process of shrinking or noticeable shrinkage of the molded articles. In this presintered state, the shaped bodies of the individual blades are put together to form a shaped body for the blade segment. This molded body for the blade segment is then subjected to uniform sintering. During the sintem the Position of the moldings of the individual blades are secured to one another or fixed. This can be done using parentheses, for example. However, since the clamp can impair the freedom of movement of the molded body during sintering, better results can be achieved when joining in the green state than when joining in the presintered state. The restriction of freedom of movement during sintering can lead to undesired deformations and cracks in the finished component. However, assembling the shaped bodies of the individual shovels in the presintered state has the advantage that the wall thicknesses of the individual parts and not the wall thickness of the assembled part must be taken into account during the delivery process, in particular during dewaxing. When joining in the pre-sintered state, this results in a reduced process time for the delivery process. When joining in the pre-sintered state, blade segments can therefore be produced more quickly.
Eine weitere Alternative stellt das Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug dar. Bei dieser Alternative wird zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mehreren Schaufeln ein gemeinsamer Formkörper für das Schaufelsegment, also für alle Schaufeln desselben beim Spritzgießen gefertigt. Dieser Formkörper für das gesamte Schaufelsegment wird dann als Einheit einem einheitlichen Entbindungsprozess mit nachgeschaltetem, einheitlichen Sintern unterzogen. Auch bei dieser Alternative lässt sich eine einwandfreie Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln herstellen.Another alternative is joining by spraying in one tool. In this alternative, a common molded body for the blade segment, that is to say for all blades of the same during injection molding, is produced for producing a blade segment from several blades. This molded body for the entire blade segment is then subjected as a unit to a uniform delivery process with subsequent, uniform sintering. With this alternative, too, a perfect connection between the individual blades can be established.
Die Alternative des Fügens durch Spritzen in einem Werkzeug lässt sich insbesondere für Schaufeln mit filigranen Kühlkanälen einsetzen. In einem ersten Arbeitsgang wird dann eine Schaufelhälfte hergestellt. Diese Schaufelhälfte wird zusammen mit einem Kern, der die Kühlkanäle abbildet, in ein Formnest für das Spritzgießen eingelegt, das anschließend vollständig gefüllt wird. Der Kern wird anschließend ausgeschmolzen und es liegt dann der Formkörper für das Schaufelsegment vor. Nach dem Einlegen der einen Schaufelhälfte in das Formnest und vor dem Auffüllen des Formnests kann die bereits eingelegte Schaufelhälfte zur Verbesserung der Bindung vorgewärmt werden.The alternative of joining by spraying in one tool can be used in particular for blades with filigree cooling channels. A blade half is then produced in a first operation. This blade half is placed together with a core, which depicts the cooling channels, in a mold cavity for injection molding, which is then completely filled. The core is then melted out and the molded body for the blade segment is then available. After inserting one blade half into the mold cavity and before filling the mold cavity, the blade half already inserted can be preheated to improve the bond.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass es im Sinne der Erfindung selbstverständlich auch möglich ist, ein Schaufelsegment aus zum Beispiel vier Schaufeln durch zwei Unterschaufelsegmente aus jeweils zwei Schaufeln herzustellen. Die beiden Unterschaufelsegmente aus jeweils zwei Schaufeln könnten zum Beispiel durch Spritzen in einem Werkzeug hergestellt werden, wohingegen diese beiden Untersegmente dann durch Fügen im grünen Zustand miteinander verbunden werden können. Es sind jedoch auch andere Kombinationen denkbar.It should also be pointed out that, within the meaning of the invention, it is of course also possible to have a blade segment comprising, for example, four blades by using two sub-blade segments to produce two blades each. The two sub-blade segments, each consisting of two blades, could be produced, for example, by spraying in a tool, whereas these two sub-segments can then be connected to one another by joining in the green state. However, other combinations are also conceivable.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, Schaufelsegmente für Gasturbinen aus mehreren Schaufeln durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellen. Bei dem Schaufelsegment handelt es sich vorzugsweise um ein Leitschaufelsegment aus mehreren Leitschaufeln für ein Flugzeugtriebwerk. With the present invention, it is proposed for the first time to produce blade segments for gas turbines from multiple blades by powder metallurgical injection molding. The blade segment is preferably a guide blade segment comprising a plurality of guide blades for an aircraft engine.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, nämlich von Schaufelsegmenten, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, wobei jedes Schaufelsegment mindestens zwei Schaufeln umfasst, und wobei das Schaufelsegment aus mehreren Schaufeln durch pulvermetallurgisches Spitzgießen hergestellt wird.1. A method for producing components, namely vane segments, for a gas turbine, in particular for an aircraft engine, each vane segment comprising at least two vanes, and the vane segment being produced from a plurality of vanes by powder metallurgical injection molding.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelsegment als Leitschaufelsegment ausgebildet ist und mindestens zwei Leitschaufeln umfasst.2. The method according to claim 1, characterized in that the blade segment is designed as a guide blade segment and comprises at least two guide blades.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelsegment drei oder vier Leitschaufeln umfasst.3. The method according to claim 2, characterized in that the guide vane segment comprises three or four guide vanes.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim pulvermetallurgischen Spitzgießen zuerst insbesondere ein Metallpulver mit einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen mindestens ein Formkörper gefertigt wird, wobei der oder jede Formkörper darauffolgend einem Entbindungsprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der oder jeder Formkörper zu mindestens einem Schaufelsegment mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that in the case of powder metallurgical injection molding, in particular a metal powder is first mixed with a binder to form a homogeneous mass, with at least one shaped body subsequently being produced from the homogeneous mass by injection molding, the or each molded body is subsequently subjected to a debinding process, and the or each molded body is subsequently compacted by sintering to form at least one blade segment with the desired geometric properties.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln Formkörper für jede Schaufel getrennt durch Spritzgießen gefertigt werden, wobei die Formkörper der Schaufeln vor dem Entbindungsprozess zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden.5. The method according to claim 4, characterized in that for the production of a blade segment from at least two blades, molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding, the molded bodies of the blades being assembled into a molded body for the blade segment before the delivery process.
6. Verfahren nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form- kδrper der Schaufeln vor dem Entbindungsprozess im grünen Zustand zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden. 6. The method according to claim 5, characterized in that the molded bodies of the blades are assembled in the green state to form a molded body for the blade segment before the delivery process.
7. Verfahren nach Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Formkörper für das Schaufelsegment darauffolgend einem einheitlichen Entbindungsprozess und einem einheitlichen Sintern unterzogen wird.7. The method according to claims 5 or 6, characterized in that this molded body for the blade segment is subsequently subjected to a uniform delivery process and a uniform sintering.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln Formkörper für jede Schaufel getrennt durch Spritzgießen gefertigt werden, wobei die Formkörper der Schaufeln getrennt einem Entbindungsprozess unterzogen werden, und wobei anschließend die Formkörper der Schaufeln zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden.8. The method according to claim 4, characterized in that for the production of a blade segment from at least two blades, molded bodies for each blade are manufactured separately by injection molding, the molded bodies of the blades being subjected separately to a debinding process, and then the molded bodies of the blades into a molded body be assembled for the blade segment.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper der Schaufeln im vorgesintertem Zustand zu einem Formkδrper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden.9. The method according to claim 8, characterized in that the shaped bodies of the blades in the pre-sintered state are assembled into a shaped body for the blade segment.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Formkörper für das Schaufelsegment darauffolgend einem einheitlichen Sintern unterzogen wird.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that this molded body for the blade segment is subsequently subjected to a uniform sintering.
1 1. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mindestens zwei Schaufeln ein gemeinsamer Formkörper für das Schaufelsegment, also für alle Schaufeln des Schaufelsegments, durch Spritzgießen gefertigt wird.1 1. The method according to claim 4, characterized in that for producing a blade segment from at least two blades, a common molded body for the blade segment, ie for all blades of the blade segment, is made by injection molding.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper für das Schaufelsegment einem einheitlichen Entbindungsprozess und einem einheitlichen Sintern unterzogen wird.12. The method according to claim 1 1, characterized in that the molded body for the blade segment is subjected to a uniform delivery process and a uniform sintering.
13. Bauteil, nämlich Schaufelsegment, für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, wobei das Schaufelsegment (18) mindestens zwei Schaufeln (19) umfasst, und wobei das Schaufelsegment (18) aus mehreren Schaufeln (19) durch pulvermetallurgisches Spitzgießen hergestellt ist. 13. Component, namely blade segment, for a gas turbine, in particular for an aircraft engine, the blade segment (18) comprising at least two blades (19), and wherein the blade segment (18) is produced from a plurality of blades (19) by powder metallurgical injection molding.
14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelsegment (19) als Leitschaufelsegment ausgebildet ist und mindestens zwei Leitschaufeln (18) umfasst.14. The component according to claim 13, characterized in that the blade segment (19) is designed as a guide blade segment and comprises at least two guide blades (18).
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelsegment drei oder vier Leitschaufeln umfasst.15. The component according to claim 14, characterized in that the guide vane segment comprises three or four guide vanes.
16. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelsegment durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12 hergestellt ist. 16. The component according to one or more of claims 13 to 15, characterized in that the blade segment is produced by a method according to one or more of claims 4 to 12.
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