Weiterhin betrifft die Erfindung ein solches Bauteil, nämlich ein Schaufelsegment, für eine Gasturbine.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerke, müssen höchsten Ansprü- chen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Le- bensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugzeugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll ge- recht 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 Ferti- gungsverfahren eine entscheidende Rolle.

Die wichtigsten, heutzutage für Flugzeugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen ver- wendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierun- gen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titaniegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugzeugtriebwerks geeignet.

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 Leit- schaufeln, 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 soge- nannten 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.

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.

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 Spitzgie- ßen hergestellt wird. Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass durch Herstellung von Schaufelsegmenten, die mindestens zwei Schaufeln umfas- sen, mithilfe des pulvermetallurgischen Spitzgießens die Herstellungskosten erheb- lich reduziert werden können. Vorzugsweise umfasst das Leitschaufelsegment drei oder vier Leitschaufeln.

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 Form- körper der Schaufeln vor einem Entbindungsprozess zu einem Formkörper für das Schaufelsegment zusammengesetzt werden. Das Fügen der Schaufeln zum Schau- felsegment erfolgt hier im sogenannten grünen Zustand.

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 wer- den, 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.

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.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist im unabhängigen Patentanspruch 13 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unter- ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt : Fig. 1 : ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrenschritte beim pulvermetallurgischen Spitzgießen ; und Fig. 2 : ein erfindungsgemäßes Schaufelsegment in perspektivischer Seitenan- sicht.

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 ein- gegangen wird, sollen nachfolgend die Grundzüge des pulvermetallurgischen Spitz- gießens unter Bezugnahme auf Fig. 1 dargestellt werden.

In einem ersten Schritt 10 wird ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder Keramikpul- ver bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 11 werden ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel, z. B. ein Wachs, bereitgestellt. Das im Verfahrensschritt 10 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 11 bereitgestellte Bin- demittel 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 Merk- male 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.

Im nachgeschalteten Schritt 14 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 erfol- gen. Üblicherweise erfolgt dies durch fraktionierte, thermische Zersetzung bzw. Ver- dampfung. Eine weitere Möglichkeit besteht durch Heraussaugen der thermisch ver- flüssigen Binde-und Plastifizierungsmittel durch Kapillarkräfte, durch Sublimation oder durch Lösungsmittel.

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 Plastifi- zierungsmittelgehalt zwischen 10 % und 20 %. Das Sintern kann unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum durchgeführt werden.

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.

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 meh- reren einzelnen Schaufel zu Schaufelsegmenten, können die Fertigungskosten deut- lich reduziert werden. Bevorzugt ist die Zusammenfassung von drei oder vier Leit- schaufeln zu einem Leitschaufelsegment, welches durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird.

So zeigt Fig. 2 ein Schaufelsegment 18 mit vier Leitschaufeln 19, wobei die vier Leit- schaufeln 19 über ein Innendeckband 20 sowie ein Außendeckband 21 miteinander verbunden sind. Jeder Leitschaufel 19 ist ein Abschnitt des Innendeckbands 20 so- wie des Außendeckbands 21 zugeordnet, wobei die einzelnen vier Leitschaufeln 19 über die jeweiligen Abschnitte von Innendeckband 20 und Außendeckband 21 zu- sammengefügt bzw. zu dem Schaufelsegment 18 zusammengefasst sind.

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.

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 grü- nen Zustand sowie beim Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug eine engere Be- rührung 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.

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 be- nachbarten 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 ge- bildete Formkörper für das gesamte Schaufelsegment wird darauffolgend einem ein- heitlichen Entbindungsprozess zum Entfernen des Bindemittels und Plastifizierungs- mittels unterzogen. Bei der Erweichung und beim Entzug des Binders aus dem Form- körper werden kleine Unebenheiten in den einander berührenden Fügeflächen aus- geglichen und somit geeignete Kontaktflächen geschaffen. Der Formkörper für das gesamte Schaufelsegment wird dann vorzugsweise entwachst und vorgesintert. Be- reits 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 Schaufel- segments, bis das herzustellende Schaufelsegment vorliegt. Bei dieser Fügealternati- ve kann eine gute Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln des Schaufelseg- ments erzielt werden, die sich von der Verbindung im Grundwerkstoff so gut wie nicht mehr unterscheiden lässt.

Eine Alternative zum Fügen im grünen Zustand ist das Fügen im vorgesinterten Zu- stand. Auch beim Fügen im vorgesinterten Zustand werden zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mehreren Schaufeln zuerst für jede Schaufel einzelne Form- körper getrennt durch Spritzgießen gefertigt. Diese Formkörper der einzelnen Schau- feln werden getrennt für sich einem Entbindungsprozess unterzogen, um die Form- körper zu entwachsen bzw. um das Bindemittel und das Plastifizierungsmittel aus den Formkörpern der einzelnen Schaufeln zu entfernen. Weiterhin werden nach die- ser Alternative die Formkörper der einzelnen Schaufeln getrennt für sich vorgesin- tert. Beim Vorsintern findet noch kein Schrumpfungsprozess bzw. kein merklicher Schrumpfungsprozess der Formkörper statt. In diesem vorgesinterten Zustand wer- den die Formkörper der einzelnen Schaufeln zu einem Formkörper für das Schaufel- segment zusammengesetzt. Dieser Formkörper für das Schaufelsegment wird dar- auffolgend einem einheitlichen Sintern unterzogen. Während des Sinterns 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 Schaufeln im vorgesinterten Zustand verfügt jedoch über den Vorteil, dass beim Entbindungsprozesse, insbeson- dere beim Entwachsen, die Wanddicken der Einzelteile und nicht die Wanddicke des zusammengesetzten Teils berücksichtigt werden muss. Beim Fügen im vorgesinter- ten Zustand ergibt sich demnach eine verringerte Prozesszeit für den Entbindungs- prozess. Beim Fügen im vorgesinterten Zustand lassen sich demnach Schaufelseg- mente schneller herstellen.

Eine weitere Alternative stellt das Fügen durch Spritzen in einem Werkzeug dar. Bei dieser Alternative wird zur Herstellung eines Schaufelsegments aus mehreren Schau- feln ein gemeinsamer Formkörper für das Schaufelsegment, also für alle Schaufeln desselben beim Spritzgießen gefertigt. Dieser Formkörper für das gesamte Schaufel- segment wird dann als Einheit einem einheitlichen Entbindungsprozess mit nachge- schaltetem, einheitlichen Sintern unterzogen. Auch bei dieser Alternative lässt sich eine einwandfreie Verbindung zwischen den einzelnen Schaufeln herstellen.

Die Alternative des Fügens durch Spritzen in einem Werkzeug lässt sich insbesonde- re 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 einge- legt, das anschließend vollständig gefüllt wird. Der Kern wird anschließend ausge- schmolzen 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.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass es im Sinne der Erfindung selbstver- ständlich auch möglich ist, ein Schaufelsegment aus zum Beispiel vier Schaufeln durch zwei Unterschaufelsegmente aus jeweils zwei Schaufeln herzustellen. Die bei- den Unterschaufefsegmente aus jeweils zwei Schaufeln könnten zum Beispiel durch Spritzen in einem Werkzeug hergestellt werden, wohingegen diese beiden Unter- segmente dann durch Fügen im grünen Zustand miteinander verbunden werden kön- nen. Es sind jedoch auch andere Kombinationen denkbar.

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 Leit- schaufelsegment aus mehreren Leitschaufeln für ein Flugzeugtriebwerk.