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Dokumentenidentifikation DE102006016147A1 11.10.2007
Titel Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Meier, Reinhold, 84405 Dorfen, DE
DE-Anmeldedatum 06.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016147
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse B22F 3/12(2006.01)A, F, I, 20060406, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02C 7/28(2006.01)A, L, I, 20060406, B, H, DE   F16J 15/44(2006.01)A, L, I, 20060406, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung durch pulvermetallurgisches Spritzgießen, wobei beim pulvermetallurgischen Spritzgießen zuerst ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen ein wabenartige Zellen aufweisender Formkörper für die Wabendichtung gefertigt wird, wobei der Formkörper darauffolgend einem Entbinderungsprozess unterzogen wird und wobei im Anschluss durch Sintern der Formkörper zu der Wabendichtung mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird. Erfindungsgemäß werden vor dem Sintern zumindest einige der Zellen des Formkörpers zumindest teilweise mit jeweils mindestens einem Hohlkörper befüllt, wobei anschließend der Formkörper zusammen mit den in die Zellen eingeführten Hohlkörpern gesintert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.

Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen 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 Flugtriebwerks geeignet. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Bauteile für einen Verdichter, sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.

Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen Bauteilen stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet. Mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießen können Bauteile hergestellt werden, die fast die volle Dichte sowie annähernd die statische Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Die gegenüber Schmiedeteilen in der Regel verringerte dynamische Festigkeit kann durch geeignete Werkstoffauswahl kompensiert werden. So ist es aus dem Stand der Technik gemäß DE 102 59 963 A1 bereits bekannt, mit dem pulvermetallurgischen Spritzgießen Wabendichtungen herzustellen.

Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen einer Wabendichtung wird in groben Zügen so vorgegangen, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Pulver, vorzugsweise ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver, mit einem Bindemittel und gegebenenfalls einem Plastifizierungsmittel und gegebenenfalls weiteren Additiven zu einer homogenen Masse vermischt wird. Aus dieser homogenen Masse wird durch Spritzgießen ein Formkörper für die Wabendichtung gefertigt. Der spritzgegossene Formkörper besitzt bereits die geometrische Form der herzustellenden Wabendichtung und damit wabenartige Zellen, sein Volumen ist jedoch um das Volumen des zugesetzten Bindemittels und Plastifizierungsmittels vergrößert. Dem spritzgegossenen Formkörper wird in einem Entbinderungsprozess das Bindemittel sowie Plastifizierungsmittel entzogen. Darauffolgend wird während des Sinters der Formkörper zur fertigen Wabendichtung verdichtet bzw. geschrumpft.

Derartige, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellte Wabendichtungen eignen sich beispielsweise dazu, in einer Gasturbine einen radial außenliegenden Spalt zwischen Schaufelspitzen rotierender Laufschaufeln und einem feststehenden Gehäuse abzudichten. Sollen derartige Wabendichtungen neben der Dichtfunktion auch eine Wärmedämmfunktion übernehmen, so ist es aus der Praxis bereits bekannt, in den wabenartigen Zellen der fertig hergestellten Wabendichtung eine wärmedämmende Füllung anzuordnen, wobei diese wärmedämmende Füllung durch Verlöten mit der Wabendichtung fest verbunden ist. Das Verlöten wärmedämmender Füllungen mit den wabenartigen Zellen einer Wabendichtung ist prozesstechnisch besonders aufwendig.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung mit Wärmedämmfunktion zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden vor dem Sintern zumindest einige der Zellen des Formkörpers zumindest teilweise mit jeweils mindestens einem Hohlköper befüllt, wobei anschließend der Formkörper zusammen mit den in die Zellen eingeführten Hohlkörpern gesintert wird.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, wärmedämmende Hohlkörper vor dem Sintern eines Formkörpers einer durch pulvermetallurgisches Spritzgießen herzustellenden Wabendichtung in zumindest einige der Zellen des Formkörpers mindestens jeweils einen wärmedämmenden Hohlkörper anzuordnen.

Beim anschließenden Sintern werden die wärmedämmenden Hohlkörper mit den wabenartigen Zellen des Formkörpers fest verbunden. Auf das nach der Praxis übliche Verlöten von wärmedämmenden Füllungen mit den Zellen der Wabendichtung kann so verzichtet werden, wodurch sich ein besonders effizientes Herstellverfahren für Wabendichtungen mit einer Wärmedämmfunktion ergibt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer Wabendichtung durch pulvermetallurgisches Spritzgießen. Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet.

Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen einer Wabendichtung wird so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt werden ein Bindemittel und gegebenenfalls ein Plastifizierungsmittel sowie gegebenenfalls weitere Additive bereitgestellt.

Das bereitgestellte Metallpulver und/oder Keramikpulver sowie das bereitgestellte Bindemittel und gegebenenfalls das Plastifizierungsmittel sowie gegebenenfalls die weiteren Additive werden in einem dritten Schritt gemischt, so dass sich eine homogene Masse ausbildet. Der Volumenanteil des Metallpulvers und/oder Keramikpulver in der homogenen Masse beträgt dabei vorzugsweise zwischen 50% und 70%. Der Anteil von Bindemittel und gegebenenfalls Plastifizierungsmittel an der homogenen Masse schwankt in etwa zwischen 30% und 50%.

Diese homogene Masse aus Metallpulver und/oder Keramikpulver, Bindemittel und gegebenenfalls Plastifizierungsmittel wird anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Beim Spritzgießen wird ein Formkörper der herzustellenden Wabendichtung gefertigt. Dieser Formkörper weist schon alle typischen Merkmale der herzustellenden Wabendichtung auf. Insbesondere verfügt der Formkörper über die geometrische Form der zu fertigenden Wabendichtung, also über wabenartige Zellen. Der Formkörper verfügt jedoch über ein um den Bindemittelgehalt sowie Plastifizierungsmittelgehalt vergrößertes Volumen. Den durch Spritzgießen bereitgestellten Formkörper bezeichnet man auch als Grünling.

In einem nachgeschalteten Verfahrensschritt wird das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus dem Formkörper ausgetrieben. Diesen Schritt kann man auch als Entbinderungsprozess 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. Den Formkörper nach dem Entbinderungsprozess bezeichnet man auch als Bräunling.

Im Anschluss an den Entbinderungsprozess wird der Formkörper gesintert. Während des Sinters wird der Formkörper zu der Wabendichtung mit den endgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet. Während des Sinterns verkleinert sich demnach der Formkörper, wobei die Dimensionen des Formkörpers in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig schwinden müssen. Der lineare Schwund beträgt abhängig vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10% und 20%. Das Sintern kann unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum durchgeführt werden. Nach dem Sintern liegt die fertige Wabendichtung vor. Falls erforderlich, kann nach dem Sintern die Wabendichtung noch einem Veredelungsprozess unterzogen werden. Der Veredelungsprozess ist jedoch optional. Es kann bereits auch unmittelbar nach dem Sintern eine einbaufertige Wabendichtung vorliegen.

Zum Herstellen einer Wabendichtung mit Wärmedämmfunktion wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, vor dem Sintern zumindest einige der wabenartigen Zellen des Formkörpers zumindest teilweise mit jeweils mindestens einem wärmedämmenden Hohlkörper zu befüllen, wobei der Formkörper anschließend zusammen mit den in die wabenartigen Zellen eingeführten Hohlkörpern gesintert wird. Dabei gehen die wärmedämmenden Hohlkörper mit den wabenartigen Zellen des Formkörpers eine feste Verbindung ein.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die wärmedämmenden Hohlkörper vorzugsweise noch vor dem Entbinderungsprozess in die Zellen des als Grünling ausgebildeten, noch weichen Formkörpers eingeführt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Hohlkörper nach dem Entbinderungsprozess in die wabenartigen Zellen des als Bräunling ausgebildeten, bereits teilweise verfestigten Formkörpers einzuführen.

Wie bereits oben erwähnt, werden die wabenartigen Zellen des Formkörpers zumindest teilweise mit jeweils mindestens einem wärmedämmenden Hohlkörper befällt. Es ist demnach möglich, in jede wabenartige Zelle des Formkörpers ausschließlich einen wärmedämmenden Hohlkörper einzuführen. Ebenso ist es möglich, in jede wabenartige Zelle mehrere wärmedämmende Hohlkörper einzuführen. Durch das Befüllen der wabenartigen Zellen mit mindestens einem Hohlkörper können dieselben entweder teilweise oder vollständig von dem oder jedem wärmedämmenden Hohlkörper ausgefüllt sein.

Dann, wenn zum Spritzgießen des Formkörpers der herzustellenden Wabendichtung eine homogene Masse verwendet wird, die unter Verwendung eines Metallpulvers gewonnen wurde, werden als wärmedämmende Hohlkörper metallische oder metallisierte Hohlkörper verwendet. Metallisierte Hohlkörper sind solche Hohlkörper, die an ihrer äußeren Oberfläche metallisch beschichtet sind.

Dann, wenn die zum Spritzgießen des Formkörpers verwendete homogene Masse aus einem Keramikpulver gewonnen wird, werden als Hohlkörper keramische oder an ihrer äußeren Oberfläche keramisierte Hohlkörper verwendet. Um die Sinterfähigkeit der Hohlkörper zu verbessern, können dieselben gegebenenfalls an ihrer äußeren Oberfläche mit einer Schlickerschicht versehen werden.

Die in die wabenartigen Zellen des Formkörpers einzuführenden, wärmedämmenden Hohlkörper sind vorzugsweise in Größe und Form an die wabenartigen Zellen des Formkörpers angepasst. Besonders bevorzugt finden als Hohlkugeln ausgebildete Hohlkörper Verwendung, die in die wabenartigen Zellen des Formkörpers eingedrückt werden. Die wabenartigen Zellen des Formkörpers können unterschiedliche geometrische Formen aufweisen, so z.B. rund, oval oder auch mehreckig, insbesondere sechseckig, konturiert sein.

Durch die Befüllung der wabenartigen Zellen eines durch Spritzgießen hergestellten Formkörpers für eine Wabendichtung vor dem Sintern desselben mit Hohlkörpern kann auf besonders einfache Art und Weise eine Wabendichtung mit Wärmedämmfunktion hergestellt werden. Durch die Befüllung der wabenartigen Zellen mit den Hohlkörpern wird des Weiteren auch die Dichtwirkung der Wabendichtung verbessert. Weiterhin wird beim Anstreifen von Schaufelspitzen rotierender Laufschaufeln in die Wabendichtung der Abrieb an derselben verringert, sodass dieselbe eine höhere Lebensdauer aufweist.

Vorzugsweise werden die Hohlkörper vor dem Einführen derselben in die wabenartigen Zellen des Formkörpers unterkühlt, also auf eine Temperatur abgekühlt, die geringer ist als die Temperatur des Formkörpers. Hierdurch kann vermieden werden, dass die wabenartigen Zellen beim Einführen der Hohlkörper beschädigt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer Wabendichtung durch pulvermetallurgisches Spitzgießen, wobei beim pulvermetallurgischen Spitzgießen zuerst ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver mit zumindest einem Bindemittel zu einer homogenen Masse vermischt wird, wobei anschließend aus der homogenen Masse durch Spritzgießen ein wabenartige Zellen aufweisender Formkörper für die Wabendichtung gefertigt wird, wobei der Formkörper darauffolgend einem Entbinderungsprozess unterzogen wird, und wobei im Anschluss durch Sintern der Formkörper zu der Wabendichtung mit gewünschten geometrischen Eigenschaften verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, vor dem Sintern zumindest einige der Zellen des Formkörpers zumindest teilweise mit jeweils mindestens einem Hohlköper befüllt werden, und dass anschließend der Formkörper zusammen mit den in die Zellen eingeführten Hohlkörpern gesintert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlköper vor dem Entbinderungsprozess in Zellen des als Grünling ausgebildeten Formkörpers eingeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlköper nach dem Entbinderungsprozess in Zellen des als Bräunling ausgebildeten Formkörpers eingeführt werden. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die zum Spritzgießen verwendete homogene Masse aus Metallpulver gewonnen wird, als Hohlköper metallische oder an ihrer äußeren Oberfläche metallisierte Hohlköper verwendet werden. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die zum Spritzgießen verwendete homogene Masse aus Keramikpulver gewonnen wird, als Hohlköper keramische oder an ihrer äußeren Oberfläche keramisierte Hohlköper verwendet werden. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkörper verwendet werden, die an die Größe und vorzugsweise Form der Zellen des Formkörpers angepasst sind. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlköper vor dem Einführen derselben in Zellen des Formkörpers auf eine Temperatur abgekühlt werden, die geringer als die Temperatur des Formkörpers ist.






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