WO2012069374A1 - Verfahren zur endkonturnahen fertigung von hochtemperaturbeständigen triebwerksbauteilen - Google Patents

Verfahren zur endkonturnahen fertigung von hochtemperaturbeständigen triebwerksbauteilen Download PDF

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    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
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Definitions

  • the invention relates to a method for near-net-shape production of high-temperature resistant engine components with geometrically complex structure by metal powder injection molding.
  • metal powder injection molding A well-known method for near-net-shape production of geometrically complicated components is also referred to as MIM process (Metal In ection Molding) designated metal powder injection molding.
  • MIM process Metal In ection Molding
  • a metal powder is first mixed with a binder of thermoplastics and waxes to form a flowable material (feedstock), which is injected into a mold by means of an extruder in a conventional injection molding process. After cooling, solidification and demolding, a so-called green part is available, from which an open-pore molding, the so-called brown part, is formed by thermal or chemical dissolution of the binder.
  • the open-pored brown part is compacted and given its final shape and has due to the remaining low porosity with the solid material on matching strength values.
  • high tempe ⁇ raturbe volatile engine components for example Turbi ⁇ nenschaufeln, near net shape
  • Turbi ⁇ nenschaufeln near net shape
  • the production of intermetallic phases and a powder produced therefrom for use in metal powder injection molding is associated with a high manufacturing and cost.
  • the invention has for its object to provide a cultivated güns ⁇ term method for near-net-shape production of high-temperature-resistant engine components with geometrically complex structure.
  • the basic idea of the invention is that a high-melting part of an intermetallic phase present as a metal powder is mixed with a binder and a green part substantially corresponding to the final contour is produced from the thus-formed feedstock by means of metal powder spraying, in which the pores remaining after dissolution of the binder are low is melted infiltrated part of the intermetallic phase, wherein the brown part thus produced is subjected to a heat depending on the set ⁇ metallic phases heat treatment for producing the intermetallic phase.
  • This makes it possible to produce high temperature resistant and lightweight engine components with geometrically complicated structure, such as turbine blades, cost-effectively from high performance materials.
  • a polymeric two-component binder is used as the binder, the first binder component being dissolved out of the green part produced by metal powder injection molding chemically, catalytically or thermally, and the second binder component being thermally removed on infiltration of the low-melting metallic part.
  • the proportion of the low-melting part of the intermetallic phase is variable and determined by the proportion of the pores after the complete debindering of the green part.
  • the proportion of the pores and thus the proportion of the infiltrated low-melting point in the intermetallic phase is determined by the adjustment of the mixing ratio between the metal powder and the two-component binder.
  • the infiltration of the molten, low-melting part of the intermetallic phase takes place in the open-pore brown part after the "squeeze-casting process under pressure.
  • the brown part after the infiltration of the low-melting part and before the intermetallic phase-generating heat treatment can be mechanically processed.
  • an iron powder is produced (step 1), which is mixed with a two-component polymeric binder (step 2).
  • a green part is produced by means of a screw press in a conventional spraying process (step 3), from which after cooling, solidification and demolding the first component of the polymeric binder is dissolved out (step 4).
  • the removal of the first component of the binder can be carried out chemically, catalytically and / or thermally.
  • the partial removal of the binder, a metal of the high melting phase and the first component of the binder best ⁇ Hendes open-pored brown part is provided that a certain - having porosity - a ⁇ adjustable depending on the binder content.
  • Method step in the subsequent comparison in a modified die casting method, the so-called “squeeze casting", in the cavities of the brown part under high pressure, a low-melting metallic phase - in this case aluminum - infilt ⁇ riert while the second component of the binder thermally
  • the volume ratio between the high-melting metallic phase (iron) and the low-melting metallic phase (aluminum) is set via the respective porosity of the brown part.
  • step 6 the corresponding one of said final shape component of atungbe ⁇ treatment for forming an iron and aluminum existing intermetallic phase chromatography (step 7) so that now a by metal powder injection geometr a complex designed and high temperature resistant component, such as a turbine blade for a gas turbine engine, is available.

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Abstract

Zur endkonturnahen Fertigung eines hochtemperaturbeständigen und komplex gestalteten Bauteils wird ein als Metallpulver vorliegender hoch schmelzender Teil einer intermetallischen Phase mit einem Binder vermischt und aus dem so gebildeten Feedstock durch Metallpulverspritzen ein im Wesentlichen der Endkontur entsprechendes Grünteil gefertigt, in dessen nach Herauslösen des Binders verbleibende Poren der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase infiltriert. Das so erzeugte Braunteil wird - gegebenenfalls nach einer zuvor durchgeführten mechanischen Bearbeitung - einer in Abhängigkeit von den eingesetzten metallischen Phasen spezifischen Wärmebehandlung zur Erzeugung der intermetallischen Phase unterzogen. Dadurch können aus intermetallischen Phasen bestehende Triebwerksbauteile mit geometrisch komplizierter Struktur kostengünstig hergestellt werden.

Description

Verfahren zur endkonturnahen Fertigung
von hochtemperaturbeständigen Triebwerksbauteilen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtemperaturbeständigen Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur durch Metallpul- verspritzgießen .
Ein bekanntes Verfahren zur endabmessungsnahen Herstellung von geometrisch kompliziert ausgebildeten Bauteilen ist das auch als MIM-Verfahren (Metal In ection Moulding) bezeichnete Metallpulverspritzgießen. Beim Metallpulverspritzgießen wird zunächst ein Metallpulver mit einem Binder aus thermoplastischen Kunststoffen und Wachsen zu einem fließfähigen Werkstoff (Feedstock) vermischt, der in einem herkömmlichen Spritzgießprozess mit Hilfe eines Extruders in eine Form gespritzt wird. Nach dem Abkühlen, Erstarren und Entformen steht ein sogenanntes Grünteil zur Verfügung, aus dem durch thermisches oder chemisches Herauslösen des Binders ein offenporiges Formteil, das sogenannte Braunteil, entsteht. In einem anschließenden Sinterprozess wird das offenporige Braunteil verdichtet und erhält seine endgültige Form und weist aufgrund der verbleibenden geringen Restporosität mit dem Vollmaterial übereinstimmende Festigkeitswerte auf. Um auch hochtempe¬ raturbeständige Triebwerksbauteile, zum Beispiel Turbi¬ nenschaufeln, endkonturnah herstellen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, ein aus einer intermetallischen Phase bestehendes Pulver zu erzeugen und in der oben ge¬ schilderten Art für das Metallpulverspritzen einzusetzen. Die Herstellung intermetallischer Phasen und eines daraus erzeugten Pulvers zur Anwendung beim Metallpulverspritzgießen ist jedoch mit einem hohen Fertigungs- und Kostenaufwand verbunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengüns¬ tiges Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtem- peraturbeständigen Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren ge¬ mäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen- stand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein als Metallpulver vorliegender hoch schmelzender Teil einer intermetallischen Phase mit einem Binder vermischt und aus dem so gebildeten Feedstock durch Metallpulverspritzen ein im Wesentlichen der Endkontur entsprechendes Grünteil gefertigt wird, in dessen nach Herauslösen des Binders verbleibende Poren der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase infiltriert wird, wobei das so erzeugte Braunteil einer in Abhängigkeit von den ein¬ gesetzten metallischen Phasen spezifischen Wärmebehandlung zur Erzeugung der intermetallischen Phase unterzogen wird . Dadurch ist es möglich, hochtemperaturbeständige und leichte Triebwerksbauteile mit geometrisch komplizierter Struktur, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln, kosteneffizient aus Hochleistungswerkstoffen herzustellen. In Ausgestaltung der Erfindung wird als Binder ein polymerer Zweikomponentenbinder verwendet, wobei die erste Binderkomponente aus dem durch Metallpulverspritzgießen erzeugten Grünteil chemisch, katalytisch oder thermisch herausgelöst wird und die zweite Binderkomponente beim Infiltrieren des niedrig schmelzenden metallischen Teils thermisch entfernt wird. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Anteil des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase variabel und durch den Anteil der Poren nach dem voll- ständigen Entbindern des Grünteils bestimmt.
Der Anteil der Poren und damit der Anteil des infiltrierten niedrig schmelzenden Teils in der intermetallischen Phase wird durch die Einstellung des Mischungsverhältnis- ses zwischen dem Metallpulver und dem Zweikomponentenbinder bestimmt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Infiltration des schmelzflüssigen, niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase in das offenporige Braunteil nach dem „Squeeze-Casting-Verfahren unter Druck.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann das Braunteil nach der Infiltration des niedrig schmelzenden Teils und noch vor der die intermetallische Phase erzeugenden Wärmebehandlung mechanisch bearbeitet werden.
Eine Aus führungs form der Erfindung wird in Verbindung mit dem beigefügten VerfahrensablaufSchema nachfolgend am Beispiel der Herstellung einer Turbinenschaufel, die aus einer auf Eisen und Aluminium basierenden intermetallischen Phase besteht, näher erläutert.
Aus dem hoch schmelzenden Teil der intermetallischen Pha- se, hier Eisen, wird ein Eisenpulver hergestellt (Schritt 1), das mit einem aus zwei Komponenten bestehenden poly- meren Binder vermischt wird (Schritt 2) . Aus dem Eisen¬ pulver-Binder Gemisch, dem - als Granulat vorliegenden - sogenannten Feedstock, wird mithilfe einer Schneckenpres- se in einem herkömmlichen Spritzverfahren ein Grünteil erzeugt (Schritt 3), aus dem nach dem Abkühlen, Erstarren und Entformen die erste Komponente des polymeren Binders herausgelöst wird (Schritt 4) . Das Entfernen der ersten Komponente des Binders kann chemisch, katalytisch und/oder thermisch erfolgen. Im Ergebnis der teilweisen Entbinderung wird ein aus der hoch schmelzenden metallischen Phase und der ersten Komponente des Binders beste¬ hendes offenporiges Braunteil bereitgestellt, das eine bestimmte - in Abhängigkeit von dem Binderanteil ein¬ stellbare - Porosität aufweist. In dem nachfolgenden Ver- fahrensschritt wird in einem modifizierten Druckgießverfahren, dem sogenannten „squeeze casting", in die Hohlräume des Braunteils unter hohem Druck eine niedrig schmelzende metallische Phase - hier: Aluminium - infilt¬ riert und dabei die zweite Komponente des Binders ther- misch aus dem Braunteil herausgelöst (Schritt 5) . Das Vo¬ lumenverhältnis zwischen der hoch schmelzenden metallischen Phase (Eisen) und der niedrig schmelzenden metallischen Phase (Aluminium) wird über die jeweilige Porosität des Braunteils eingestellt. Nach diesem Schritt kann, so- fern erforderlich, eine zu diesem Zeitpunkt in einfacher Weise durchführbare mechanische Bearbeitung des infilt¬ rierten Braunteils erfolgen (Schritt 6) . Anschließend wird das der Endform entsprechende Bauteil einer Wärmebe¬ handlung zur Bildung einer aus Eisen und Aluminium beste- henden intermetallischen Phase unterworfen (Schritt 7), so dass nun ein durch Metallpulverspritzgießen geometrisch komplex gestaltetes sowie hochtemperaturbeständiges Bauteil, beispielsweise eine Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk, zur Verfügung steht.
In der gleichen Art können auch andere aus einer intermetallischen Phase, beispielsweise auf der Basis von Ni¬ ckel, Eisen, Titan und Aluminium gefertigte - hochtempe¬ raturbeständige und leichte Bauteile mit geometrisch kom- plizierter Struktur bei geringem Materialaufwand effizient und kostengünstig hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur endkonturnahen Fertigung von hochtem- peraturbeständigen, aus einer einen hoch und einen niedrig schmelzenden Teil umfassenden intermetallischen Phase bestehenden Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur durch Metallpulverspritzgießen, dadurch gekennzeichnet, dass der als Metallpulver vorliegende hoch schmelzende Teil mit einem Binder vermischt und durch Metallpulverspritzgießen zunächst ein Grünteil des Triebwerksbauteils und nach Herauslösen des Binder ein offenporiges Braunteil gefertigt wird, und danach der niedrig schmelzende Teil der intermetallischen Phase in schmelzflüssigem Zustand in die Poren des Braunteils infiltriert wird und schließlich das so vorbereitete Braunteil einer die intermetallische Phase erzeugen¬ den Wärmebehandlung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase variabel ist und durch den Anteil der Poren nach dem vollständigen Entbindern des Grünteils bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Poren durch die Einstellung des Mischungsverhältnis zwischen dem Metallpulver und dem Zweikomponentenbinder bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration des schmelzflüssigen niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase in das offenporigen Braunteil nach dem „Squeeze- Casting-Verfahren unter Druck erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Braunteil nach der Infiltration des niedrig schmelzenden Teils und noch vor der die intermetal¬ lische Phase erzeugenden Wärmebehandlung mechanische bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder ein polymerer Zweikomponentenbinder eingesetzt wird, wobei die erste Binderkomponente aus dem durch Metallpulverspritzen erzeugten Grünteil und die zweite Binderkomponente beim Infiltrie¬ ren des niedrig schmelzenden Teils der intermetallischen Phase herausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Binderkomponente chemisch, kataly- tisch und/oder thermisch und die zweite Binderkompo¬ nente thermisch herausgelöst wird.
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