WO2008104154A1 - Verfahren zur herstellung eines strukturelements - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a structural element with low density and high temperature resistance, according to the preamble of claim 1.
  • DE 43 38 457 C2 describes a method for producing a component made of metal or ceramic with dense, closed outer shell and porous core, wherein the component is constructed in Schlickertechnik of massive solid particles of different sizes and hollow spheres of different sizes and then dried and sintered.
  • DE 39 02 032 C2 protects a method for producing a sintered lightweight construction material, in which metallic hollow spheres are tightly stacked and connected by presintering and the cavities between the hollow spheres are filled with pulverfbrmigem metal, metal alloys or intermetallic compounds.
  • the overall structure of hollow spheres and metal powder is sintered to the desired lightweight metallic material.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a structural element with low density and high temperature resistance, which avoids the disadvantages mentioned safely.
  • FIG. 1 shows a partial section through a structural mass of hollow spheres and adhesive
  • FIG. 2 shows a partial section through a structural element with a carrier.
  • the adjacent hollow balls 3 and the cavities between the hollow balls more or less filling adhesive 4 can be seen.
  • the adhesive 4 may be one whose properties, for example, the shrinkage improving, powdery addition material 5 be mixed.
  • the illustrated structural mass 2 is not yet to be dried or cured and adjusted to a liquid to pasty consistency. It is possible to produce self-supporting semi-finished products from the structural composition 2 by drying and curing.
  • the structural mass 2 is preferably applied to a carrier 6 or introduced into at least one cavity of a carrier.
  • FIG. 2 shows such a structural element 1 with a carrier 6, on the surface 7 of which a structural mass is applied and connected to the carrier 6 by drying or curing.
  • the application of the structural mass on the carrier 6 is preferably carried out by filling or brushing.
  • the not yet dried and not yet cured structural mass can also be introduced into cavities of a carrier, e.g. by pouring.
  • this embodiment is then used to provide hollow blades of gas turbines with an inner protective structure against sulfidation, oxidation, etc.

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements mit geringer Dichte und mit hoher Temperaturbeständigkeit, wobei eine Vielzahl von Hohlkugeln aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Zwischen den Hohlkugeln werden Klebstoffbrücken aus einem hochtemperaturbeständigen, anorganischen Klebstoff gebildet. Die Strukturmasse aus Hohlkugeln und Klebstoff wird unter Anwendung ab Raumtemperatur zunehmender, maximal der späteren Einsatztemperatur des Strukturelements entsprechender Temperaturen getrocknet und ausgehärtet.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements mit geringer Dichte und mit hoher Temperaturbeständigkeit, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Derartige Strukturelemente sowie Verfahren zur Herstellung derselben sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So beschreibt die DE 43 38 457 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metall oder Keramik mit dichter, geschlossenen Außenschale und porösem Kern, wobei das Bauteil in Schlickertechnik aus massiven Vollpartikeln unterschiedlicher Größe sowie aus Hohlkugeln unterschiedlicher Größe aufgebaut sowie anschließend getrocknet und gesintert wird.
Die DE 39 02 032 C2 schützt ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Leichtbaumaterials, bei dem metallische Hohlkugeln dicht gestapelt sowie durch Vorsintern verbunden werden und die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln mit pulverfbrmigem Metall, Metalllegierungen oder intermetallischen Verbindungen aufgefüllt werden. Die Gesamtstruktur aus Hohlkugeln und Metallpulver wird zu dem gewünschten metallischen Leichtbaumaterial versintert.
De facto werden zur Herstellung von Strukturelementen mit geringer Dichte und mit hoher Temperaturbeständigkeit ausschließlich Hochtemperatur-Fügeverfahren wie Hochtemperatur-Löten, Schweißen, Sintern bzw. Eingießen verwendet. Diese Verfahren haben u.a. den Nachteil, dass das Material der Hohlkugeln bzw. eines angrenzenden Trägers geschädigt werden kann. Durch Schrumpfen bzw. Strukturverformung können sich weiterhin Maß- und Formabweichungen sowie Risse und Brüche ergeben. Dem gegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements mit geringer Dichte und mit hoher Temperaturbeständigkeit anzugeben, welches die genannten Nachteile sicher vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Die Erfindung ist darin zu sehen, dass als Fügeverfahren Kleben verwendet wird, wobei ein hochtemperaturbeständiger, anorganischer Klebstoff zur Anwendung kommt. Durch den thermischen Trocknungs- und Aushärtungsprozess wird im Wesentlichen nur der Klebstoff beeinflusst und verändert. Das Material der Hohlkugeln bzw. eines angrenzenden Trägers bleibt geometrisch und materialtechnisch weitestgehend unverändert. Dies hat eine erheblich verbesserte Maßhaltigkeit und Strukturhomogenität zur Folge. Dadurch lassen sich die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften des Strukturelements verbessern.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Strukturmasse aus Hohlkugeln und Klebstoff, und
Fig. 2 einen Teilschnitt durch ein Strukturelement mit einem Träger.
In Fig. 1 sind die aneinandergrenzenden Hohlkugeln 3 sowie der die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln mehr oder weniger ausfüllende Klebstoff 4 zu erkennen. In den Klebstoff 4 kann ein dessen Eigenschaften, z.B. dessen Schrumpfverhalten verbessernder, pulver- förmiger Zugabewerkstoff 5 eingemischt sein. Die dargestellte Strukturmasse 2 soll noch nicht getrocknet bzw. ausgehärtet und auf eine flüssige bis pastöse Konsistenz eingestellt sein. Es ist möglich, aus der Strukturmasse 2 durch Trocknen und Aushärten selbsttragende Halbzeuge herzustellen. Bevorzugt wird die Strukturmasse 2 jedoch auf einen Träger 6 aufgebracht bzw. in wenigstens einen Hohlraum eines Trägers eingebracht. Figur 2 zeigt ein derartiges Strukturelement 1 mit einem Träger 6, auf dessen Oberfläche 7 eine Strukturmasse aufgebracht und durch Trocknen bzw. Aushärten mit dem Träger 6 verbunden ist. Das Aufbringen der Strukturmasse auf den Träger 6 erfolgt vorzugsweise durch Spachteln oder Streichen. Nach dem Aushärten kann eine mechanische Nachbehandlung der freien Strukturoberfläche erfolgen, z.B. durch Überdrehen. Die ausgehärtete Strukturmasse ist besonders als Anstreif- bzw. als Einlaufbelag für Gasturbinendichtungen geeignet. Das Material für die Hohlkugeln 3 ist in weiten Grenzen frei wählbar, es besteht auch die Möglichkeit, metallische bzw. intermetallische Hohlkugeln 3 mit keramischen und/oder gläsernen Hohlkugeln 3 zu mischen.
Die noch nicht getrocknete und noch nicht ausgehärtete Strukturmasse kann auch in Hohlräume eines Trägers eingebracht werden, z.B. durch Eingießen. Vorzugsweise dient diese Ausführungsvariante dann dazu, Hohlschaufeln von Gasturbinen mit einer inneren Schutzstruktur gegen Sulfidation, Oxidation usw. zu versehen.
Für den Fachmann ist klar, dass die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung mit den genannten Beispielen bei Weitem nicht erschöpft sind. Es ist eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Stator- und Rotorbereich von Gasturbinen, denkbar. Als Stichwort seien hier Leichtbauelemente im weitesten Sinne genannt. Durch Kleben als Fügeverfahren ist die Werkstoffauswahl nicht mehr auf schweiß-, sinter- und lötbare Werkstoffe beschränkt. Hierdurch sind werkstofftechnisch Strukturelemente mit neuen und optimierten Eigenschaften möglich. Da im Unterschied zu den meisten metallurgischen Verfahren die Maximaltemperaturen bei der Herstellung nicht höher zu sein brauchen, als die späteren Einsatztemperaturen, ist eine herstellungsbedingte Werkstoffschädigung nicht zu erwarten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements (1) mit geringer Dichte und mit hoher Temperaturbeständigkeit, wobei eine Vielzahl von Hohlkugeln (3) aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff stoffschlüssig miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hohlkugeln (3) Klebstoffbrücken aus einem hochtemperaturbeständigen, anorganischen Klebstoff (4) gebildet werden, und dass die Strukturmasse (2) aus Hohlkugeln (3) und Klebstoff (4) unter Anwendung ab Raumtemperatur zunehmender, maximal etwa der späteren Einsatztemperatur des Strukturelements (1) entsprechender Temperaturen getrocknet und ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (3) miteinander und mit einem zusätzlichen Träger (6) verklebt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganischer Klebstoff (4) ein Silikat oder ein Phosphat verwendet wird, z.B. ein sogenanntes Wasserglas.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Klebstoff (4) ein pulverförmiger metallischer, intermetallischer, keramischer und/oder glasartiger Zugabewerkstoff (5) zugemischt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkugeln (3) und/oder ein Träger (6) aus einem metallischen, intermetallischen, gläsernen bzw. glasartigen und/oder keramischen Werkstoff verwendet werden bzw. wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturmasse (2) auf eine fließfähige oder pastöse Konsistenz eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturmasse (2) durch Gießen, Streichen oder Spachteln auf den Träger (6) aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen und Aushärten des Klebstoffs (4) in mehreren Stufen mit zunehmender, in jeder Stufe etwa konstant gehaltener Temperatur erfolgt, wobei die Temperatur der ersten Stufe etwa der Raumtemperatur, die Temperatur der letzten Stufe etwa der späteren Einsatztemperatur des Strukturelements (1) entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen und Aushärten in vier Stufen durchgeführt wird, wobei die Temperatur in der zweiten Stufe etwa bei 80°C, in der dritten Stufe etwa bei einem Wert aus einem Bereich von 400°C bis 500°C und in der vierte und letzten Stufe etwa bei einem Wert aus einem Bereich von 700°C bis 1200°C liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit in jeder Stufe etwa Ih beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hohlkugeln (3) und/oder den Träger (6) und/oder den Zugabe Werkstoff (5) als metallische Werkstoffe Legierungen auf Basis von Eisen (Fe), Titan (Ti), Nickel (Ni) und/oder Kobalt (Co), als intermetallischer Werkstoff eine Verbindung auf Basis von Titan (Ti) und Aluminium (Al) verwendet werden bzw. wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkugeln (3) mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm bis etwa 2 mm verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkugeln (3) mit einer Wanddicke von etwa 40 μm verwendet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (6) Gasturbinenteile mit Hohlräumen, insbesondere Hohlschaufeln, verwendet werden, und dass die Strukturmasse (2) aus Hohlkugeln (3), Klebstoff (4) sowie ggf. einem Zugabewerkstoff (5) durch Gießen in die Hohlräume eingebracht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (6) Gasturbinenbauteile mit glatten und/oder strukturierten Oberflächen (7), insbesondere Mantelringe oder Mantelringsegmente, verwendet werden, und dass die Strukturmasse (2) aus Hohlkugeln (3), Klebstoff (4) sowie ggf. einem Zugabewerkstoff (5) durch Streichen und/oder Spachteln auf die Oberflächen (7) aufgebracht wird.
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