Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von thermisch beanspruchten Triebwerksbauteilen mit geometrisch komplexer Struktur durch Metallpulverspritzgießen von mit einem Binder vermischtem Metallpulver, bei dem einzelne Komponenten des Triebwerksbauteils als separat geformte Grünlings- und anschließend entbinderte Bräunlingsteilstücke gefertigt werden, die zu einem zwei- oder mehrteiligen Bräunling zusammengesetzt und in zusammengesetztem Zustand gesintert werden.

Es ist bekannt, Bauteile mit hoher geometrischer Komplexität aus unterschiedlichen Metallen wie beispielsweise Edelstählen, Einsatz- und Vergütungsstählen, intermetallischen Phasen, Leichtmetallen auf Titanbasis und dgl . durch Metallpulverspritzgießen (Metal Injection Moulding - MIM) herzustellen, und zwar bei vollständiger Materialausnutzung und ohne oder nur mit geringer Nacharbeit. Beim Metallpulverspritzgießen wird zunächst ein Metallpulver mit einem Binder aus thermoplastischen Kunststof- fen und Wachsen zu einem fließfähigen und in einem Sprit zgießprozess verarbeitbaren Werkstoff (Feedstock) vermischt. Aus dem beim Spritzgießen erzeugten Formteil, dem Grünling, wird anschließend der Binder herausgelöst oder thermisch ausgetrieben, so dass ein poröses - als Bräunling bezeichnetes - Formteil zur Verfügung steht, das die gleichen Abmessungen wie der Grünling hat. In einem darauffolgenden Wärmeprozess wird der Bräunling geringfügig unterhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Metalls in einem Sinterofen, und zwar meist in einer Schutzgasatmosphäre oder manchmal auch im Vakuum, gesintert. Nach dem Sintern, bei dem der Bräunling auf die ge- wünschten Fertigabmessungen schwindet, liegt das endgültige Formteil vor. Eine Nacharbeit ist im allgemeinen nicht erforderlich. Aus der DE 103 31 397 AI ist es bereits bekannt, geometrisch kompliziert geformte Bauteile für eine Fluggasturbine, hier einzelne, jeweils aus zwei oder mehreren Leitschaufeln sowie einem Innendeckbandabschnitt und einem Außendeckbandabschnitt bestehende Segmente eines Leit- schaufelkranzes, durch Metallpulverspritzgießen herzustellen. Bei diesem Verfahren werden die Innen- und Au- ßendeckbandabschnitte jeweils separat als Bräunling vorgefertigt und anschließend ohne Schrumpfung vorgesintert. Die vorgesinterten Schaufel- und Deckbandbräunlinge wer- den dann zu einem Leitschaufelsegment zusammengesetzt und in der zusammengesetzten Lage durch Klammern zueinander fixiert und dann gesintert. Ein zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen erforderlicher inniger Kontakt an den Berührungsflächen ist durch die Anordnung von Klammern nicht gewährleistet.

Aufgrund der durch die Fixierung mittels Klammern eingeschränkten Bewegungsfreiheit beim Sintern kann es zudem zu unerwünschten Deformationen und Rissen an dem zusammengesetzten Leitschaufelsegment kommen.

Die US 2007/0202000 AI beschreibt ein Verfahren zur Verbindung zweier durch Metallpulverspritzgießen hergestellter Komponenten, bei dem die beiden zu verbindenen Komponenten beim Sintern eine unterschiedliche Schwindung auf- weisen. Die beiden Komponenen weisen formschlüssig ineinandergreifende Vorsprünge bzw. Ausnehmungen auf. Beim Sintern übt diejenige Komponente, die die Vorsprünge der anderen Komponente umschließt, auf diese Vorsprünge einen Druck aus. Die anschliessede Verbindung der beiden Kompo- nenten wird primär über die Vorsprünge gewährleistet und ist dadurch auf eine relativ kleine Querschnittsfläche begrenzt (die Basisfläche der Vorsprünge) und damit auf eine relativ niedrige Verbindungsfestigkeit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Metallpulverspritzgießen von geometrisch komplex geformten, aus separat vorgefertigten Bräunlingen zusammengesetzten Triebwerksbauteilen anzugeben, bei dem während des Sinterprozesses zwischen den aneinandergefügten Bräunlingen ein Nullspaltmaß gewährleistet ist und eine innige, feste Verbindung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Herstellung von thermisch beanspruchten Trieb- Werksbauteilen mit geometrisch komplizierter Struktur durch Metallpulverspritzgießen von mit einem Binder vermischtem Metallpulver, bei dem einzelne Komponenten des Bauteils als separat geformte Grünlings- und anschließend entbinderte Bräunlingsteilstücke gefertigt werden, die zu einem mehrteiligen Bräunling zusammengesetzt und in zusammengesetztem Zustand gesintert werden, weisen die Bräunlingsteilstücke im Sinterprozess eine in Abhängigkeit von der Art und Ausbildung des eingesetzten Metallpulvers unterschiedliche Schwindung auf. Beim Sintern des derart zusammengesetzten Bräunlings werden stärker schwindende Bräunlingsteilstücke selbsttätig an weniger stark schrumpfende Bräunlingsteilstücke gepresst, so dass immer ein Nullspaltmaß und eine innige Verbindung zwischen den Bräunlingsteilstücken gewährleistet ist und im Metallsprit zgießprozess auch kompliziert geformte Trieb- Werksbauteile in hoher Qualität bereitgestellt werden können. Dabei ist vorgesehen, dass an den Fügeflächen der zu verbindenden Bräunlingsteilstücke mit unterschiedlicher Schwindung Verbindungselemente in Form von form- schlüssig ineinandergreifenden Vorsprüngen und Ausnehmungen derart vorgesehen sind, dass das Bräunlingsteilstück, das Vorsprünge aufweist, beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings eine größere Schwindung erfährt als das Bräunlingsteilstück, das Ausnehmungen aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt, dass beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings das Bräunlingsteilstück, das Ausnehmungen aufweist, zum Bräunlingsteilstück, das Vorsprünge aufweist, durch dessen schrumpfenden Vorsprün- ge hingezogen wird, wodurch die jeweiligen Kontaktflächen aneinandergepresst werden. Damit wird erreicht, dass ein hoher Druck und damit ein intensiver Oberflächenkontakt der beider Bräunlingsteilstücke nicht lediglich im Bereich der Vorsprünge und Ausnehmungen erreicht wird, son- dern vielmehr entlang der gesamten Kontaktflächen, entlang derer die beiden Bräunlingsteilstücke aneinander anliegen. Die Bräunlingsteilstücke werden beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings mit anderen Worten großflächig an Flächen aneinandergepresst, die benachbart der Vorsprünge und Ausnehmungen an den Bräunlingsteilstücken ausgebildet sind. Es werden damit bei dem erfindungsgeg- mäßen Verfahren während des Sinterprozesses zwischen den aneinandergefügten Bräunlingen ein Nullspaltmaß zwischen den Kontaktflächen gewährleistet und eine innige, feste Verbindung erzielt.

Die unterschiedliche Schwindung beim Sintern aufgrund des jeweils eingesetzten Metallpulvers ist darüber hinaus insofern vorteilhaft, als bei der Auswahl des jeweiligen Metallpulvers auch die unterschiedliche thermische Bean- spruchung bestimmter Bauteilbereiche berücksichtigt werden kann.

Die Querschnittsfläche der Vorsprünge und Ausnehmungen ist so ausgebildet, dass die Bräunlingsteilstücke beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings aneinandergezo- gen werden. Die Querschnittsfläche kann beispielsweise sich etwa schwalbenschwanzförmig verjüngend ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsvariante sind die Vor- sprünge konvex gewölbt und die Ausnehmungen konkav gewölbt, beispielsweise in Form von kugelförmigen Vorsprüngen und Ausnehmungen. Auf diese Weise können auch nicht rotationssymmetrisch geformte Bräunlingsteilstücke ohne störende Hilfsmittel im Sinterprozess fest miteinander verbunden werden und kompliziert geformte, nicht rotationssymmetrische Triebwerksbauteile, wie beispielsweise mit Deckbändern ausgebildete Turbinenschaufeln, durch Metallpulverspritzgießen gefertigt werden. Die Vorsprünge und Aussparungen werden vor dem Sintern beispielsweise durch Längsverschiebung oder Drehung der zu verbindenden Bräunlingseilstücke in formschlüssigen Eingriff gebracht. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die Flächen, an denen die Bräunlingsteilstücke beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings aneinandergezogen werden, im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, was einschließt, dass sie eine gemeinsame Krümmung aufweisen.

Bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Triebwerksbauteilen umfasst der zusammengesetzte Bräunling ein inneres Bräunlingsteilstück und ein dieses umschließendes äußeres Bräunlingsteilstück mit größerer Schwindung, das beim Sintern des zusammengesetzten Bräunlings auf das innere Bräunlingsteilstück geschrumpft wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der zusammengesetzte Bräunling von einem separat erzeugten, als Werkzeug fungierenden und durch Metallpulverspritzgießen erzeugten zusätzlichen Bräunling mit größerer Schwindung umschlossen werden. Durch den so ergänzten zusammengesetzten Bräunling werden die für das Triebwerks- bauteil erforderlichen Bräunlingsteilstücke während des Sinterns innig miteinander verbunden. Der als Werkzeug dienende zusätzliche Bräunling wird nach dem Sintern von dem fertigen Bauteil entfernt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das stärker schwindende erste Bräunlingsteilstück ein äußeres Bräunlingsteilstück ist und das zweite Bräunlingsteilstück ein inneres Bräunlingsteilstück ist. Die Angaben „äußeres" und „inneres" beziehen sich dabei auf die Anordnung des hergestellten Triebwerksbauteils in einem Triebwerk.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Art und Ausbildung des eingesetzten Metallpulvers von der Art und Größe der Metallpulverpartikel, den Metallpulverwerkstoff sowie dem verwendeten Binder abhängt. Unterschiedliche Metallpulver im Sinne der vorliegenden Erfindung liegen somit beispielsweise bereits dann vor, wenn der verwendete Binder unterschiedlich ist oder in unterschiedlichem Maße den verwendeten Metallpulverpartikeln hinzugefügt ist, selbst wenn diese die gleiche Größe und Art besitzen. Unterschiedliche Metallpulver im Sinne der vorliegenden Erfindung liegen natürlich beispielsweise auch dann vor, wenn die Metallpulverpartikel unter- schiedlicher Größe und/oder Art sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der Fig. 1 eine mit einem Innen- und einem Außendeckband ausgebildete Turbinenschaufel, die aus drei separat gefertigten Bräunlingsteilstücken zusammengesetzt ist; und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Fügebereichs eines aus zwei Bräunlingsteilstücken zusammengesetzten Bräunlings zeigt, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt am Beispiel einer mit einem Innen- und einem Außendeckband versehenen Turbinenschaufel ein nicht rotationssymmetrisch ausgebildetes Triebwerksbauteil 1, das aus drei separat durch Metallpulverspritzgießen ge- fertigten und anschließend in einem Sinterprozess gesinterten und miteinander verbundenen Bräunlingsteilstücken zusammengefügt ist. Die drei gesinterten Bräunlingsteilstücke bilden das Schaufelblatt 2 sowie ein Außendeckband 3 und ein Innendeckband 4 der Turbinenschaufel.

Zur Herstellung des nicht rotationssymmetrischen Triebwerksbauteils 1, hier einer Turbinenschaufel, werden durch Metallpulverspritzgießen eines mit einem thermoplastischen Binder vermischten Metallpulvers (Feedstock) separate Grünlinge der Außen- und Innendeckbänder und der Schaufelblätter erzeugt. Durch Herausschmelzen des Binders in einem Ofen werden die Grünlinge anschließend entbindert, so dass nunmehr aus einem porösen Material bestehende Bräunlingsteilstücke für das Schaufelblatt sowie die Innen- und Außendeckbänder zur Verfügung stehen. Wie die in Fig. 2 dargestellte Fügestelle zwischen zwei separat gefertigten äußeren und inneren Bräunlingsteilstücken 5 und 6 zeigt, befinden sich an der Kontaktfläche 10 des äußeren Bräunlingsteilstücks 5, die der Innenfläche des Außendeckbandes 3 entspricht, sich zur Kontaktfläche 10 hin etwa schwalbenschwanzförmig verjüngende Vorsprünge 7 und an der Kontaktfläche 11 des inneren Bräunlingsteilstücks 6, die hier der Oberkante eines Schaufelblattes 2 entspricht, etwa schwalbenschwanzförmig verjüngende Ausnehmungen 8. In der gleichen Art ist auch ein weiteres - zur Ausbildung des Innendeckbandes 4 vorgesehenes - äußeres Bräunlingsteilstück (nicht dargestellt) mit derartigen Vorsprüngen versehen, die in an der Unterkante des inneren Bräunlingsteilstücks 6 ausgebildete Ausnehmungen (nicht dargestellt) eingreifen. Statt schwalbenschwanzförmig sich verjüngender Vorsprünge können alternativ auch in anderer Weise sich zur Kontaktfläche 10 hin verjüngende Vorsprünge realisiert sein.

Die beim Metallpulversprit zgießprozess erzeugten Verbindungselemente in Form von Vorsprüngen 7 und Ausnehmungen 8 greifen bei dem zusammengesetzten Bräunling 9 formschlüssig ineinander. Das äußere Bräunlingsteilstück 5 ist über die Art und Größe der Metallpulverpartikel, den Metallpulverwerkstoff sowie den verwendeten Binder so ausgebildet, dass er beim Sintern stärker schrumpft als das innere Bräunlingsteilstück 6. Das heißt, beim anschließenden gemeinsamen Sintern der mittels der Ausneh- mungen 8 und Vorsprünge 7 formschlüssig miteinander verbundenen äußeren und inneren Bräunlingsteilstücke 5, 6 wird zum einen eine feste Verbindung zwischen den Ausnehmungen und den in diese eingreifenden Vorsprüngen geschaffen und das Nullspaltmaß zwischen den Fügeflächen 10, 11 aufrechterhalten. Aufgrund der schwalbenschwanzförmigenförmigen Ausbildung der unterschiedlich schrumpfenden Verbindungselemente werden die beiden Bräunlingsteilstücke 5, 6 außerdem an- einandergezogen und aneinandergepresst , so dass eine innige Verbindung zwischen dem äußeren und inneren Bräunlingsteilstücken 5, 6 und im Ergebnis des Sinterprozesses ein durch Metallpulverspritzgießen und entsprechend der thermischen Belastung aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigtes Triebwerkbauteil von geometrisch komplizierter Struktur bereitgestellt werden kann. Dabei ziehen aufgrund des Umstandes, dass das äußere Bräunlingsteilstück 5 stärker schrumpft, die Vorsprünge 7 des Bräunlingsteilstück 5 das Bräunlingsteilstück 6 an das Bräunlingsteilstück 5 heran, wobei die jeweiligen Kontaktflächen 10, 11 aneinandergepresst werden. Die entsprechende Kraft, die auf das Bräunlingsteilstück 6 wirkt und zu einem Andrückdruck zwischen den beiden Bräunlingsteilstücken 5, 6 entlang der Kontaktflächen 10, 11 führt, ist in der Fig. 2 durch Pfeile F angedeutet.

Die Kontaktflächen 10, 11, die benachbart der Vorsprünge bzw. Aussparungen 7, 8 ausgebildet sind, sind dabei in einer Ausgestaltung im wesentlichen parallel ausgebildet, was mit einschließt, dass sie in gleicher Weise gekrümmte Flächen ausbilden. Hierdurch wird ein großflächiger intensiver Anpressvorgang beim Sintern sichergestellt.

Das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel war auf die Herstellung von nicht rotationssymmetrischen Bauteilen aus zwei (oder mehreren) mit Verbindungselementen ausgebildeten Bräunlingen mit jeweils unterschiedlichem Schwindungsverhalten gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das oben erläuterte Ausführungsbeispiel be- schränkt. Ausgehend von dem Grundgedanken der Erfindung, die aneinanderzufügenden Bräunlinge durch deren unterschiedliche Schwindung aneinander zu pressen, kann es bei rotationssymmetrischen Bauteilen auch ohne die erwähnten Verbindungselemente 7, 8 ausreichen, wenn ein das innere Bräunlingsteilstück umfassendes äußeres Bräunlingsteilstück eine stärkere Schwindung bzw. Schrumpfung aufweist, so dass die separat gefertigten, rotationssymmetrischen Bräunlingsteilstücke beim Sintern fest aneinander ge- presst werden. Schließlich ist es auch denkbar, einen zu- sätzlichen, stärker schrumpfenden Bräunling als Werkzeug zu benutzen, der die zu verbindenden Bräunlingsteilstücke umfasst und beim gemeinsamen Sintern fest aneinander drückt .

Bezugszeichenliste

1 Triebwerksbauteil

2 Schaufelblatt

3 Außendeckband

4 Innendeckband

5 äußeres Bräunlingsteilstück (Außendeckband)

6 inneres Bräunlingsteilstück (Schaufelblatt) 7 Vorsprung (Verbindungselement)

8 Ausnehmung (Verbindungselement)

9 zusammengesetzter Bräunling aus 5 und 6

10 Kontaktfläche des äußeren Bräunlingsteilstücks 5

11 Kontaktfläche des inneren Bräunlingsteilstücks 6