Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebens- dauer 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 Ent- wicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfah- ren eine entscheidende Rolle.

Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwende- ten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Ge- triebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet.

Bei der Fertigung bzw. Herstellung von Präzisionsbauteilen aus metallischen oder auch keramischen Pulvern hat sich das pulvermetallurgische Spritzgießen bewährt.

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 ca. 95% der statischen Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Die gegenüber Schmiedeteilen verringerte dynamische Festigkeit kann durch geeignete Werkstoffauswahl kompensiert werden.

Beim pulvermetallurgischen Spritzgießen wird nach dem Stand der Technik in groben Zügen so vorgegangen, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Pulver, vorzugs- weise ein Metallpulver, Hartmetallpulver oder auch Keramikpulver, mit einem Binde- mittel und gegebenenfalls einem Plastifizierer zu einer homogenen Masse vermischt wird. Aus dieser homogenen Masse werden durch Spritzgießen Formkörper gefertigt.

Die spritzgegossenen Formkörper besitzen bereits die geometrische Form des her- zustellenden Bauteils, ihr Volumen ist jedoch um das Volumen des zugesetzten Bin- demittels und Plastifizierungsmittels vergrößert. Den spritzgegossenen Formkörpern wird in einem Entbinderungsprozess das Bindemittel sowie Plastifizierungsmittel ent- zogen. Darauffolgend wird während des Sinterns der Formkörper zum fertigen Bau- teil verdichtet bzw. geschrumpft. Während des Sinterns verkleinert sich das Volumen des Formkörpers, wobei entscheidend ist, dass die Dimensionen des Formteils in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig schwinden müssen. Der Volumenschwund beträgt abhängig vom Bindemittel-und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 30% und 60%.

Nach dem Stand der Technik wird beim pulvermetallurgischen Spritzgießen übli- cherweise so vorgegangen, dass jeder Formkörper für sich dem Entbinderungspro- zess unterzogen und darauffolgend für sich gesintert wird. Gegebenfalls werden erst nach dem eigentlichen pulvermetallurgischen Spritzgießen mehrere durch pulverme- tallurgisches Spritzgießen hergestellte Bauteile über geeignete Fügeverfahren mit- einander verbunden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten pulvermetallur- gischen Spritzgießverfahren ist demnach die Herstellung von Bauteilen mit einer komplexen, dreidimensionalen Gestalt nur in beschränktem Umfang möglich.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Bauteilen vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Erfindungsgemäß werden zur Herstellung eines Bauteils mehrere Formkörper wäh- rend des Sinterns durch einen Diffusionsprozess miteinander verbunden.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, ein Bauteil aus mehre- ren Formkörpern dadurch herzustellen, dass während des Sinterns, also während des pulvermetallurgischen Spritzgießens, die Formkörper zu dem herzustellenden Bauteil durch einen Diffusionsprozess miteinander verbunden werden. Hierdurch wird es möglich, mithilfe des pulvermetallurgischen Spritzgießens auch Bauteile mit einer komplexen, dreidimensionalen Gestalt schnell und kostengünstig herzustellen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die miteinander zu ver- bindenden Formkörper zumindest während des Sinterns an miteinander zu verbin- denden Abschnitten der Formkörper in Flächenkontakt, vorzugsweise in einen form- schlüssigen Flächenkontakt gebracht, wobei während des Sinterns und während des gleichzeitig ablaufenden Diffusionsprozesses ein Druck auf die miteinander zu ver- bindenden Formkörper ausgeübt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Herstellung von Schaufeln oder Schaufelsegmenten aus mehreren Schaufeln eines Flugtriebwerks verwendet, wobei diese Schaufeln oder Schaufelsegmente aus einer Nickelbasislegierung oder auch Titanbasislegierung bestehen.

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 Spritzgießen ; Fig. 2 : einen Querschnitt durch zwei mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfah- rens miteinander zu verbindende Formkörper ; Fig. 3 : einen weiteren Querschnitt durch zwei mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander zu verbindende Formkörper ; und Fig. 4 : einen weiteren Querschnitt durch zwei mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander zu verbindende Formkörper.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen vorzugsweise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen (PM). Pulvermetallurgisches Spritzgießen wird auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die einzelnen Verfahrensschritte des pulverme- tallurgischen Spritzgießens erläutert. In einem ersten Schritt 10 wird ein Metallpul- ver, Hartmetallpulver oder Keramikpulver bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 11 werden ein Bindemittel und ggf. ein Plastifizierungsmittel bereitgestellt. Das im Ver- fahrensschritt 10 bereitgestellte Metallpulver sowie das im Verfahrensschritt 11 be- reitgestellte Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden im Verfahrensschritt 12 gemischt, so dass sich eine homogene Masse ausbildet. Der Volumenanteil des Me- tallpulvers in der homogenen Masse beträgt dabei vorzugsweise zwischen 40% und 70%. Der Anteil von Bindemittel und Plastifizierungsmittel an der homogenen Masse schwankt demnach in etwa zwischen 30% und 60%.

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 den Formkörpern ausgetrieben. Den Verfahrensschritt 14 kann man auch als Endbinderungsprozess bezeichnen. Das Austreiben von Bindemittel und Plastifizie- rungsmittel 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 Lösungsmit- tel.

Im Anschluss an den Entbinderungsprozess im Sinne des Schritts 14 werden die Formkörper im Sinne des Schritts 15 gesintert. Während des Sinterns werden die Formkörper zu den Bauteilen mit den endgültigen, geometrischen Eigenschaften verdichtet. Während des Sinterns verkleinern sich demnach die Formkörper, wobei die Dimensionen der Formkörper in allen drei Raumrichtungen gleichmäßig schwin- den müssen. Der lineare Schwund beträgt abhängig vom Bindemittelgehalt und Plastifizierungsmittelgehalt zwischen 10% und 20%.

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, ein Bauteil mithilfe des pulverme- tallurgischen Spritzgießens dadurch herzustellen, dass das Bauteil aus mehreren Formkörpern gebildet wird, wobei die Formkörper während des pulvermetallurgi- schen Spritzgießens durch einen Diffusionsprozess miteinander verbunden werden.

So kann zum Beispiel das herzustellende Bauteil aus zwei Formkörpern zusammen- gesetzt werden, wobei die beiden Formkörper während des Sinterns durch den Dif- fusionsprozess miteinander verbunden werden. Es ist auch möglich, eine höhere Anzahl von Formkörpern zu einem Bauteil während des Sinterns miteinander zu ver- binden.

Zum Verbinden der Formkörper bei der Herstellung des Bauteils werden die Form- körper an miteinander zu verbindenden Abschnitten bzw. Oberflächenbereichen der- selben in einen Flächenkontakt gebracht. Dies bedeutet, dass die miteinander zu verbindenden Formkörper sich an den Abschnitten bzw. Oberflächenbereichen ein- ander berühren. Auf die sich berührenden Formkörper bzw. die sich berührenden Abschnitte der Formkörper wird während des Diffusionsprozesses ein Druck ausge- übt. Der Flächenkontakt zwischen den miteinander zu verbindenden Formkörpern sowie das Ausüben des Drucks auf dieselben, erfolgt zumindest während des Sin- terns. Der Diffusionsprozess erfolgt demnach während des Sinters.

Es ist auch möglich, den Flächenkontakt sowie den Druck auf die sich berührenden und miteinander zu verbindenden Formkörper bereits während eines Vorsinterns und/oder während des Entbinderungsprozesses herzustellen. Bevorzugt ist die Vor- gehensweise, dass der Flächenkontakt bereits während des Entbinderungsprozesses und während des Vorsinters sowie während des eigentlichen Sinters bereitgestellt wird, der Druck jedoch lediglich während des eigentlichen Sinterns auf die Formkör- per ausgeübt wird. An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass das Vorsintern zwischen dem Entbinderungsprozess und dem eigentlichen Sintern stattfindet, wobei beim Vorsintern noch kein merklicher Schrumpfungsprozess der miteinander zu verbindenden Formkörper stattfindet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Formkörper in einen formschlüssigen Flächenkontakt gebracht. Dies wird anhand der Fig. 2 bis 4 nachfolgend erläutert.

So zeigt Fig. 2 zwei während des pulvermetallurgischen Spritzgießens über einen Diffusionsprozess miteinander zu verbindende Formkörper 18 und 19. Die Formkör- per 18 und 19 berühren einander an Abschnitten bzw. Oberflächenbereichen 20 und 21. Wie Fig. 2 entnommen werden kann, ist der Oberflächenbereich 20 des Form- körpers 18 im Querschnitt keilförmig ausgebildet. Dieser keilförmige Oberflächenbe- reich 20 des Formkörpers 18 greift formschlüssig in den korrespondierend ausgebil- deten Oberflächenbereich 21 des Formkörpers 19 ein. Der Oberflächenbereich 21 des Formkörpers 19 bildet demnach im Querschnitt eine keilförmige Nut.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung von zwei miteinander zu verbindenden Formkörpern 22 und 23. Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind miteinander zu verbindende Oberflächenbereiche 24 und 25 der Formkörper 22 und 23 in form- schlüssigem Kontakt. Hierzu ist am Oberflächenbereich 25 des Formkörpers 23 ein im Querschnitt trapezförmiger Vorsprung ausgebildet, der in eine entsprechend aus- gebildete Ausnehmung im OberFlächenbereich 24 des Formkörpers 22 eingreift.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung zweier miteinander zu verbindender Formkör- per 26 und 27 zeigt Fig. 4. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind miteinander zu verbindende Oberflächenbereiche 28 und 29 der beiden Formkörper 26 und 27 wie- derum in formschlüssigem Kontakt miteinander, im Unterschied zum Ausführungs- beispiel gemäß Fig. 3 sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 der Vorsprung bzw. die Ausnehmung im Bereich der Abschnitte bzw. der Oberflächenbereiche 28 bzw.

29 im Querschnitt nicht trapezförmig, sondern vielmehr im Querschnitt rechteckig.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 3 sind die miteinander zu verbin- dender Formkörper 18 und 19 bzw. 22 und 23 seitlich nebeneinander angeordnet, bei Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Formkörper 26 und 27 übereinander posi- tioniert.

Der Formschluss zwischen den während des Sinterns durch den Diffusionsprozess miteinander zu verbindenden Formkörpern verbessert die Maßhaltigkeit des herzu- stellenden Bauteils.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die miteinander zu verbindenden Formkörper im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sowohl hinsichtlich ihrer Materialzusammen- setzung und/oder hinsichtlich ihrer Schrumpfungseigenschaften identisch ausgebil- det sein können, als auch diesbezüglich unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können. Sind die Materialzusammensetzungen sowie die Schrumpfeigenschaften der miteinander zu verbindenden Formkörper identisch, so stellt sich während des Sin- terns für die miteinander zu verbindenden Formkörper ein gleichmäßiger Schrump- fungsprozess ein.

Es können jedoch auch Formkörper mit unterschiedlichen Schrumpfungseigenschaf- ten im Sinne der hier vorliegenden Erfindung über den Diffusionsprozess während des Sinterns miteinander verbunden werden. So liegt es auch im Sinne der hier vor- liegenden Erfindung, einen Formkörper mit einem größeren Schrumpfungsumfang während des Sinterns auf einen Formkörper mit einem kleineren Schrumpfungsum- fang aufzusintern. Bei den in Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen würde dies bedeuten, dass die Formkörper 19,22 und 26 einen größeren Schrumpfungsumfang aufweisen und damit stärker schrumpfen als die Formkörper 18,23 bzw. 27.

Formkörper mit unterschiedlichen Schrumpfungseigenschaften können dadurch be- reitgestellt werden, dass Formkörper mit unterschiedlichen Materialzusammenset- zungen verwendet werden. So können zum Beispiel Formkörper verwendet werden, die aus unterschiedlichen Metallpulvern und damit unterschiedlichen Metalilegierun- gen gebildet sind. Sollen Formkörper aus unterschiedlichen Metallpulvern miteinan- der verbunden werden, so ist darauf zu achten, dass die Sintertemperatur bzw. Dif- fusionstemperatur der Metallpulver in der selben Größenordnung liegt, damit die Schrumpfung der Formkörper auch gleichzeitig erfolgt. Die Materialzusammenset- zung zur Bereitstellung von Formkörpern mit unterschiedlichen Schrumpfungseigen- schaften kann auch durch Variation in der Art und im Umfang des Bindemittels ge- ändert werden. Unterschiedliche Schrumpfungseigenschaften können des weiteren bei gleicher Materialzusammensetzung dadurch erreicht werden, dass Formkörper mit gleicher Materialzusammensetzung unterschiedlich vorgesintert werden.

Eine weitere Alternative der hier vorliegenden Erfindung liegt darin, bei Verwendung von Formkörpern mit unterschiedlichem Schrumpfungsverhalten das unterschiedli- che Schrumpfungsverhalten dadurch auszugleichen, dass vor dem eigentlichen Sin- tern die Formkörper durch einen vorgeschalteten Vorsinterprozess bearbeitet wer- den. Das unterschiedliche Schrumpfverhalten der miteinander zu verbindenden Formkörper kann so ausgeglichen werden, so dass während des eigentlichen Sin- terns das Schrumpfverhalten der Formkörper aufeinander angepasst ist.

Nach einer anderen Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das unter- schiedliche Schrumpfverhalten dadurch ausgeglichen werden, dass die Formkörper, die zum Beispiel aus unterschiedlichen Metallpulvern bestehen, sich auch hinsicht- lich ihrer Bindemittel und gegebenenfalls Plastifizierungsmittel bzw. hinsichtlich ihrer prozentualen Zusammensetzung von Metallpulver, Bindemittel und gegebenenfalls Plastifizierungsmittel unterscheiden. Auch hierdurch kann dann, wenn zum Beispiel Formkörper aus unterschiedlichen Metallpulvern miteinander verbunden werden sollen, das unterschiedliche Schrumpfungsverhalten ausgeglichen werden. Es ist jedoch wieder darauf zu achten, dass die Sintertemperatur bzw. Diffusionstempera- tur der Materialzusammensetzungen der Formkörper in der selben Größenordnung liegt, damit die Schrumpfung der Formkörper auch gleichzeitig erfolgt.

Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, während des Sinterns pul- vermetallurgische Formkörper unmittelbar miteinander zu verbinden. Hierdurch wer- den neue Gestaltungsmöglichkeiten für pulvermetallurgisch herzustellende Bauteile geschaffen. Weiterhin entfallen die nach dem Stand der Technik erforderlichen sepa- raten Füge-bzw. Verbindungsprozesse nach dem eigentlichen pulvermetallurgischen Spritzgießen. Durch den Wegfall dieses nach dem Stand der Technik erforderlichen, zusätzlichen Verfahrensschritts ist die Herstellung der Bauteile schneller sowie kos- tengünstiger möglich.

Zur Verstärkung des Diffusionseffekts beim Sintern der miteinander zu verbindenden Formkörper können die einander berührenden Oberflächen derselben eine Beschich- tung aufweisen. Diese Beschichtung bildet dann eine sogenannte Sinterhilfe, die als Folie oder als Schlickerwerkstoff bzw. Schlickerschicht auf die in Flächenkontakt zu bringenden Oberflächenbereiche der Formkörper aufgebracht werden kann. Diese den Diffusionseffekt verstärkende Beschichtung kann auf mindestens eine der mit- einander zu verbindenden Oberflächenbereiche bzw. Abschnitte oder auch auf beide oder alle miteinander zu verbindenden Abschnitte aufgebracht werden.

Zur Verstärkung des Diffusionseffekts beim Sintern kann das Sintern auch unter ei- ner speziellen Gasatmosphäre durchgeführt werden, die den Diffusionseffekt unter- stützt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Bautei- len einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks. So liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Schaufeln oder Schaufelsegmente oder Rotoren mit integraler Beschaufelung-sogenannte Blisks (Biaded Disks) oder Blings (Bladed Rings) -einer Gasturbine mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen.

Weiterhin können Dichtungsteile, Verstellhebel, Sicherungsteile oder andere Bauteile mit einer komplexen dreidimensionalen Gestalt durch das erfindungsgemäße Verfah- ren hergestellt werden. Derartige Bauteile für eine Gasturbine bestehen insbesonde- re aus einer Nickelbasislegierung oder Titanbasislegierung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Herstellung von Bauteilen für Gasturbinen be- schränkt. Es können grundsätzlich auch Bauteile für den Kraftfahrzeugbereich, den allgemeinen Maschinenbau oder sonstige Anwendungsbereiche hergestellt werden.