EP3540084A1

EP3540084A1 - Verfahren zur thermischen behandlung von bauteilen, ein bauteil und ein flugzeugtriebwerk

Info

Publication number: EP3540084A1
Application number: EP19162569.8A
Authority: EP
Inventors: Naicheng DR. SHENG; Andreas Meyer; Katharina DR. HORKE; Robert PROF. DR.-ING. SINGER
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-18
Also published as: US11311935B2; US20190283138A1; DE102018204088A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Bauteils, insbesondere eines Metallpulverspritzguss-Bauteils (MIM-Bauteil), mit einer NickelBasis-Legierung, wobei das Bauteil nach, dem Sintern, insbesondere unmittelbar nach dem Sintern, des Spritzgussprozesses für eine vorbestimmte Haltezeit mindestens einer Behandlungstemperatur unterhalb der Sintertemperatur ausgesetzt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, insbesondere ein MIM-Bauteil und ein Flugzeugtriebwerk.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
In thermisch hochbelasteten Maschinen müssen Bauteile verwendet werden, die auch unter hohen Temperaturen insbesondere ihre mechanischen Eigenschaften behalten. Es ist z.B. bekannt, Bauteile in Flugzeugtriebwerken durch Metallpulverspritzguss (metal injection molding: MIM) oder anderen Pulver-Binder Verfahren, z.B. auch additiven Fertigungsverfahren mit Pulver- Binder Ausgangsmaterialien (z.B. Fused Filament Fabrication, Binder Jetting) herzustellen.
Dabei werden z.B. Nickel-Basis-Werkstoffe, wie CM247LC, als eine sogenannte Superlegierung (Superalloy) verwendet (Meyer et al., "Metal Injection Molding of Nickel-Base Superalloy CM247LC: Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties", in Proceedings of International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials (POWDERMET 2017), June 13-16, 2017); Meyer et al., "Metal Injection molding of nickel base superalloy CM247LC", Powder Metallurgy 59, 2016, 51-56). Metallpulverspritzguss-Bauteile werden im Folgenden kurz als MIM-Bauteile bezeichnet.
Typischerweise umfasst die Herstellung von binder-basierten Bauteilen, insbesondere MIM-Bauteilen vier Schritte: die Herstellung des sogenannten Feedstocks aus Metallpulver und Binder, den Spritzgießvorgang, das Entbindern und das Sintern.
Damit können Bauteile mit komplexer Form, wie z.B. Schaufeln in Verdichtern oder Turbinen von Flugzeugtriebwerken, kosteneffizient hergestellt werden, wobei die Bauteile am Ende des Herstellungsverfahrens sogar bereits die gewünschte Endkontur aufweisen können. Eine Einsatzmöglichkeit für solche Schaufeln liegt insbesondere auch in Fan-Getriebe-Flugzeugtriebwerken, in denen es thermisch hoch belastete Bereiche gibt.
Die nach dem Sintern in den Bauteilen erreichbare Korngröße ist dabei auf Grund des feinen Metallpulvers relativ klein. Auch eine längere thermische Behandlung (annealing) bei möglichst hohen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes führt nicht zu einem signifikanten Wachstum der Korngröße (z.B. sind nur Größen zwischen 20 und 50 µm erreichbar). Dadurch wird die bei hohen Temperaturen erreichbare Kriechgrenze des MIM-Bauteils begrenzt, da an den Korngrenzen ein Gleiten einsetzen kann.
Bei den fertig gesinterten Bauteilen, insbesondere den MIM-Bauteilen ist es aber oft wünschenswert, dass die Korngröße möglichst groß ist.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 adressiert dieses Thema.
Demnach wird das Bauteil, insbesondere ein MIM-Bauteil, mit einer Nickel-Basis-Legierung nach dem Sintern, z.B. dem in der Regel letzten Schritt im MIM-Verfahren, einer thermischen Behandlung unterzogen. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer vorbestimmten Haltezeit mindestens eine Behandlungstemperatur unterhalb der Sintertemperatur gewählt wird. Dies bedeutet, dass es auch mehr als eine Behandlungstemperatur unterhalb der Sintertemperatur geben kann, die z.B. in Intervallen aufgebracht wird. Die vorbestimmte Haltezeit schließt sich z.B. unmittelbar an das Sintern an, d.h. es gibt z.B. keine zwischenzeitliche Abkühlung vor der Haltephase.
Damit erfolgt überraschenderweise ein wesentlich größeres Kornwachstum im gesinterten Bauteil als dies bisher bekannt war.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Differenz zwischen der Sintertemperatur und der mindestens einen Behandlungstemperatur kleiner als 60 °C, insbesondere kleiner als 50° C, ganz insbesondere im Bereich von 20 und 40 °C.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Haltezeit der Behandlungstemperaturzwischen 0,5 und 50 Stunden, insbesondere zwischen 5 und 35 Stunden.
In einer Ausführungsform wird das Bauteil für 10 bis 20 Stunden, insbesondere 15 Stunden bei 1260°C, für 2 bis 6 Stunden, insbesondere 4 Stunden bei 1080°C und für 15 bis 25 Stunden, insbesondere 20 Stunden bei 870°C nach dem Sintern gehalten. Dies zeigt, dass das Halten auch auf unterschiedlichen Temperaturniveaus stattfinden kann. Dieses Temperaturführungsprofil kann sich unmittelbar an das Sintern anschließen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine CM247LC-Legierung oder eine modifizierte CM247LC-Legierung als Nickel-Basis-Legierung eingesetzt.

Dabei kann die modifizierte CM247LC-Legierung Element-Anteile z.B. in folgenden Grenzen (minimaler und maximaler Anteil in Gew.-%) aufweisen:

Legierung (Gew.-%:		Ni	Cr	Co	Mo	Al	Ti	Ta	W	C	B	Zr	Hf
Mod. CM247LC Legierung	Min	Bal.	7.5	9.0	0.4	5.4	0.0	0.0	9.3	0	0	0	0
Mod. CM247LC Legierung	Max	Bal.	8.5	9.5	0.6	5.7	0.6	3.1	9.7	0.07	0.01	0.007	1.4

Die Modifikation dieser Legierung gegenüber der CM247LC-Legierung liegt vor allem in den veränderten, generell verringerten Anteilen an Ti, Ta, W, C, B, Zr und Hf. So kann die modifizierte CM247LC-Legierung z.B. in der Summe einen Anteil von mehr als 1,5 Gew.-% an Karbidbildnern C, Hf, Ti, Ta, B, Nb und / oder Zr aufweisen, d.h. die modifizierte CM247LC-Legierung kann in einer Ausführungsform auch Nb aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausführungsform Boridbildner W, Co und / oder Cr aufweisen.
In einem weiteren Verfahren weist die modifizierte CM247LC-Legierung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,05 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,04 Gew.-%, insbesondere von 0,03 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger als 1,4 Gew.-%, insbesondere einen Hafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von 0,4 Gew.-% auf.
Alternativ kann die modifizierte CM247LC-Legierung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,06 Gew.-%, insbesondere von 0,05 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger 1,4 Gew.-%, insbesondere einen Hafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von 0,0 Gew.-% aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform betreffend eine CM247LC-Legierung oder eine modifizierte CM247LC-Legierung liegt die mindestens eine Behandlungstemperatur zwischen 1240 und 1290 °C, insbesondere zwischen 1250 und 1285 °C, insbesondere bei 1260 °C.
Die Aufgabe wird auch durch ein Bauteil, insbesondere ein MIM-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, das insbesondere nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 herstellbar ist. Das Bauteil, weist dabei insbesondere einen Flächenanteil von mindestens 20% mit einer mittleren Korngröße von mehr als 200 µm, insbesondere von mehr als 400 µm und ganz insbesondere von mehr als 500 µm auf. Die mittlere Korngröße ist dabei nach dem Linienschnittverfahren ASTM E112 -13 zu bestimmen. Dabei entspricht eine mittlere Korngröße von 200 µm einer ASTM Korngröße von ca. 1,5. Damit wäre die ASTM Korngröße mindestens 1,5 oder kleiner. Auch ist es in einer Ausführungsform möglich, dass ein Flächenanteil von maximal bis zu 80 % mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 µm, insbesondere weniger als 100 µm und ganz insbesondere von weniger als 80 µm vorliegt.
Das Bauteil, insbesondere das MIM-Bauteil kann z.B. ein Teil eines Triebwerks oder eines Turboladers, insbesondere eine Schaufel eines Verdichters, ein Verdichterteil, insbesondere eine Halteplatte, ein Zapfen, ein Hebel, eine Mutter, eine Unterlegscheibe (z.B. in Brennervorrichtung), ein Dämpfer oder eine Dichtung sein.
Dabei kann die Schaufel als Leit- oder Laufschaufel ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird auch durch ein Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit Figuren beschrieben, dabei zeigt

Figur 1: eine seitliche Schnittansicht eines Getriebe-Fan-Triebwerkes;
Figur 2: eine vergrößerte Ansicht einer seitlichen Schnittansicht des vorderen Teils des Triebwerks gemäß Figur 1;
Figur 3: eine Darstellung eines Prozessfensters für eine Ausführungsform des Verfahrens zur thermischen Behandlung eines MIM-Bauteils;
Figur 4: eine Darstellung vergrößerter Korngrößen, erhaltbar durch eine Ausführungsform des Verfahrens zur thermischen Behandlung des MIM-Bauteils;
Figur 5: eine Darstellung der Kriechbeständigkeit (Larson-Miller-Diagramm) von MIM-Bauteilen.

Im Folgenden wird anhand eines Getriebefan-Triebwerks ein möglicher Einsatz von Ausführungsformen von MIM-Bauteilen beschrieben.
Figur 1 beschreibt dabei ein Flugzeugtriebwerk 10 mit einer Haupt-Drehachse 9. Das Flugzeugtriebwerk 10 weist einen Lufteinlass 12 und einen Fan 23 auf, der zwei Luftströme erzeugt: einen Luftstrom A durch ein Kerntriebwerk 11 und einen Bypassluftstrom B.
Das Kerntriebwerk 11 umfasst, in axialer Durchströmungsrichtung gesehen, einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Brennervorrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kerntriebwerksaustrittsdüse 20. Eine Nacelle 21 umgibt das Flugzeugtriebwerk 10 und definiert den Bypass-Kanal 22 (auch Nebenstromkanal genannt) und eine Bypasskanal-Austrittsdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan wird durch die Niederdruckturbine 19 über die Welle 26 und ein Planetengetriebe 30 angetrieben.
Im Betrieb wird der Luftstrom A im Kerntriebwerk 11 durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet, wobei er in den Hochdruckverdichter 15 geführt wird, in dem eine weitere Verdichtung stattfindet. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 verdichtet austretende Luft wird in die Brennervorrichtung 16 geführt, in der sie mit Brennstoff gemischt und verbrannt wird.
Die entstehenden heißen Verbrennungsgase werden durch die Hochdruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 19 geführt, die durch die Verbrennungsgase angetrieben werden. Die MIM-Bauteile können z.B. im Niederdruckverdichter 14, dem Hochdruckverdichter 15, der Hochdruckturbine 17 und / oder der Niederdruckturbine 19 eingesetzt werden. Die höchsten Temperaturen treten dabei am Ausgang der Brennervorrichtung 16, am Eingang der Hochdruckturbine 17 auf.
Die Verbrennungsgase treten durch die Kernaustrittsdüse 20 aus und liefern einen Anteil am Gesamtschub. Die Hochdruckturbine 18 treibt den Hochdruckverdichter 15 über eine passende Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt üblicherweise den größten Teil des Antriebsschubes. Das Planentengetriebe 30 ist hier als Untersetzungsgetriebe ausgebildet, um die Drehzahl des Fans 23 gegenüber der antreibenden Turbine zu vermindern.
Eine beispielhafte Anordnung für eine Getriebefan-Anordnung eines Flugzeuggetriebes ist in Figur 2 dargestellt.
Die Niederdruckturbine 19 (siehe Figur 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Radial nach außen von dem Sonnenrad 28 und in Eingriff ist eine Vielzahl von Planetenrädern 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind. Der Planetenträger 34 zwingt die Planetenräder 32, synchron um das Sonnenrad 28 herum zu präzedieren, während jedes Planetenrad 32 sich um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Verbindungen 36 mit dem Fan 23 gekoppelt, um seine Drehung um die Drehachse 9 zu bewirken. Radial außerhalb der Planetenräder 32 und mit diesem kämmend ist ein Ring- oder Hohlrad 38 verbunden, das über Verbindungen 40, einer stationären Stützstruktur 24 verbunden ist. Diese Bauform stellt ein epizyklisches Planetengetriebe 30 dar.
Man beachte, dass die Ausdrücke "Niederdruckturbine" und "Niederdruckverdichter", wie sie hier verwendet werden, so verstanden werden können, dass sie die Turbinenstufen mit dem niedrigsten Druck und die Verdichterstufen mit dem niedrigsten Druck (d.h. ohne den Fan 23) und / oder die Turbinen- und Verdichterstufen bedeuten, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk 10 (d.h. ohne die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt) verbunden sind. Unter einer "Niederdruckturbine" und einem "Niederdruckverdichter", auf die hier Bezug genommen wird, kann alternativ auch eine "Zwischendruckturbine" und ein "Zwischendruckverdichter" verstanden werden. Wenn eine solche alternative Nomenklatur verwendet wird, kann der Fan 23 als eine erste oder niedrigste Verdichterstufe bezeichnet werden.
Das Planetengetriebe 30, das beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist, ist ein epizyklisches Planetengetriebe, da der Planetenträger 34 über eine Welle mit dem Fan 23 drehbar, d.h. vor allem antreibbar, verbunden ist. Die Hohlwelle 38 ist demgegenüber feststehend ausgebildet.
Es kann jedoch auch jeder andere geeignete Typ eines Planetengetriebes 30 verwendet werden.
Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung aufweisen, bei der der Planetenträger 34 fest gehalten wird, und sich das Hohlrad 38 drehen kann. Bei einer solchen Anordnung wird der Fan 23 durch das Hohlrad 38 angetrieben. Als weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differentialgetriebe sein, bei dem sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen können.
Es ist klar, dass die in der Figur 2 gezeigte Anordnung nur beispielhaft ist und verschiedene Alternativen auch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen. Rein beispielhaft kann jede geeignete Anordnung verwendet werden, um das Planetengetriebe 30 in dem Triebwerk 10 anzuordnen und / oder um das Planetengetriebe 30 mit dem Triebwerk 10 zu verbinden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (wie die Verbindungen 36, 40 in der Ausführungsform gemäß Figur 2) zwischen dem Planetengetriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie der Kerntriebwerkswelle 26, der Ausgangswelle und der stationären Stützstruktur 24) jeden gewünschten Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen.
Als ein weiteres Beispiel kann jede geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks 10 (zum Beispiel zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen des Planetengetriebes 30 und den festen Strukturen, wie zum Beispiel dem Getriebegehäuse) verwendet werden und ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von Figur 2 beschränkt. Zum Beispiel, wenn das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung aufweist, würde der Fachmann verstehen, dass die Anordnung von Ausgangs- und Stützverbindungen und Lagerorten typischerweise unterschiedlich als in Figur 2 gezeigt wäre.
Dementsprechend erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Flugzeugtriebwerk 10 mit einer beliebigen Anordnung von Getriebeformen (zum Beispiel Sternanordnung oder epizyklische Planetenanordnungen), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerstellen.
Optional kann das Planetengetriebe 30 zusätzliche und / oder alternative Komponenten (z.B. den Zwischendruckverdichter und / oder einen Boosterverdichter) antreiben.
Andere Flugzeugtriebwerke 10, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet werden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel können solche Flugzeugtriebwerke 10 eine andere Anzahl von Verdichtern und / oder Turbinen und / oder eine andere Anzahl von Verbindungswellen aufweisen. Als weiteres Beispiel weist das in Figur 1 gezeigte Triebwerk 10 eine Split-Flow-Düse 20 auf, was bedeutet, dass die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 eine eigene Düse aufweist, die von der Kerntriebwerksaustrittsdüse 20 getrennt und radial außerhalb angeordnet ist. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen und jeder Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke 10 angewendet werden, in denen die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 und die Strömung durch das Kerntriebwerk 11 (vor oder stromaufwärts) von einer einzigen Düse gemischt oder kombiniert wird. Dies wird als Mischflussdüse bezeichnet. Eine oder beide Düsen (unabhängig davon, ob Misch- oder Teilstrom vorliegen) können einen festen oder variablen Querschnitt aufweisen. Während sich das hier beschriebene Beispiel auf ein Turbofan-Triebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise auf jede Art von Flugzeugturbinen angewendet werden, beispielsweise auch auf ein Triebwerk 10 mit einem offenen Rotor (bei dem die Fanstufe 23 nicht von einem Gehäuse umgeben ist) oder ein Turboprop-Triebwerk.
Die Geometrie des Flugzeugtriebwerks 10 und seiner Komponenten ist durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die mit der Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in Figur 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht in der Ansicht von Figur 1) umfasst. Die Axial-, Radial- und Umfangsrichtungen sind zueinander senkrecht.
Es sei betont, dass MIM-Bauteile auch in anderen Maschinen eingesetzt werden können, wie z.B. Turboverdichtern in Kraftfahrzeugen oder stationären Gasturbinen.
Im Folgenden wird die Herstellung von MIM-Bauteilen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Grundsätzlich gelten die hier gemachten Aussagen auch für andere Verfahren mit Pulver-Binder Systemen (z.B. Binder Jetting, Fused Filament Farbication (FFF), Fused Deposition Modeling, Schmelzschichtverfahren), die z.B. in additiven Fertigungsverfahren verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur thermischen Behandlung eines Metallpulverspritzguss-Bauteils (MIM-Bauteil) mit einer Nickel-Basis-Legierung wird das MIM-Bauteil nach dem Sintern für eine vorbestimmte Haltezeit z.B. von mehr als 0,5 h einer Behandlungstemperatur unterhalb der Sintertemperatur der Metalllegierung ausgesetzt. Die Haltezeit kann grundsätzlich auch kürzer als 0,5 h sein. Die Behandlungstemperatur muss während der Haltezeit nicht konstant sein. Die Behandlungstemperatur kann in Stufen oder kontinuierlich unterhalb der Sintertemperatur variiert werden.
Die Sintertemperatur für CM247LC (typische Zusammensetzung (Minimal und Maximalwerte für die jeweiligen Elemente; Bal: Differenz zu 100 %) in Tabelle 1) beträgt z.B. 1305 °C in einer Ausführungsform des Verfahrens, so dass Behandlungstemperaturen im Bereich von 1245 °C bis 1285 °C verwendbar sind. Die Haltezeit kann insbesondere zwischen 0,5 und 50 Stunden, insbesondere zwischen 5 und 35 Stunden, betragen. Es wird angemerkt, dass die Temperaturangaben insbesondere als gemittelte Werte zu verstehen sind.
Damit ist es möglich, nach dem Sintern wesentlich größere Korngrößen zu erhalten, als dies aus dem Stand der Technik bekannt war (ca. zwei Größenordnungen größer). Dies kann mit einer sekundären Rekristallisation zusammenhängen.

Eine mögliche Ausführungsform für eine MIM-Legierung, bei der die Anteile an Ti, Ta, C, B, Zr und Hf gegenüber der bekannten CM247LC-Legierung verringert sind (modifizierte CM247LC-Legierung), ist ebenfalls in Tabelle 1 als "Mod. CM247LC-Legierung" angegeben (Minimal- und Maximalwerte für die jeweiligen Elemente; Bal: Differenz zu 100%). Die genannte Verringerung der Element-Anteile trägt dazu bei, die Bewegung der Korngrenzen zu erleichtern, die die entgegenstehenden Kräfte, die durch Karbide, Boride oder eine Korngrenzentrennung (auch Korngrenzenseigerung, Korngrenzensegregation) entstehen, überwinden müssen.

Tabelle 1

Legierung (Gew.-%)		Ni	Cr	Co	Mo	Al	Ti	Ta	W	C	B	Zr	Hf
CM247LC	Min	Bal.	7.5	9.0	0.4	5.4	0.6	3.1	9.3	0.07	0.01	0.007	1.4
CM247LC	Max	Bal.	8.5	9.5	0.6	5.7	0.9	3.3	9.7	0.09	0.02	0.015	1.6

Mod. CM247LC Legierung	Min	Bal.	7.5	9.0	0.4	5.4	0.0	0.0	9.3	0	0	0	0
Mod. CM247LC Legierung	Max	Bal.	8.5	9.5	0.6	5.7	0.6	3.1	9.7	0.07	0.01	0.007	1.4

Im Folgenden werden Ergebnisse dargestellt, die mit zwei Ausführungsformen (Legierung-1, Legierung-2) einer modifizierten CM247LC-Legierung erhalten wurden. Die Zusammensetzungen der beiden Ausführungsformen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Legierung (Gew.-%)	Ni	Cr	Co	Mo	Al	Ti	Ta	W	C	B	Zr	Hf
Legierung-1	Bal.	8.0	9.2	0.5	5.3	0.6	3.2-3.4	9,2-9.5	0.03	0.013	0.015	0.4
Legierung-2	Bal.	8.3	9.2	0.5	5.7	0.7	3.0	9.7	0.05	0.014	0.017	0

Die modifizierte CM247LC-Legierung-1 weist einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,05 Gew.-%, nämlich von 0,03 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, nämlich von 0,4 Gew.-%, auf.
Die modifizierte CM247LC-Legierung-2 weist einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,06 Gew.-%, nämlich von 0,05 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, nämlich 0,0 Gew.-%, auf.
In Fig. 3 ist beispielhaft für die Legierung-1 die Abhängigkeit der rekristallisierten Fläche (ausgedrückt als SRX Flächen-%) von der Behandlungstemperatur, bei jeweils konstanter Haltezeit von 10 Stunden, dargestellt. Die SRX Flächen-% (SRX: durch sekundäre Rekristallisation kornvergröberter Bereich) sind dabei als Verhältnis zwischen der ermittelten rekristallisierten Fläche der gesinterten Probe nach der thermischen Behandlung der gesinterten Probe zur Gesamtfläche der gesinterten Probe (d.h. vor der thermischen Behandlung) definiert. Die Sintertemperatur beträgt hier 1305 °C.
Es zeigt sich ein ausgeprägtes und überraschendes Maximum des rekristallisierten Bereiches, der ein Maß für die Korngröße ist, insbesondere zwischen Haltetemperaturen zwischen 1240 und 1290 °C, insbesondere zwischen 1250 und 1285 °C. Das Maximum der Korngröße ist bei ca. 1260 °C erreicht.
Außerhalb dieses Temperaturbereichs ist die Korngröße signifikant kleiner. Für die Legierung-1 liegt ein gutes Prozessfenster (schraffierte Bereich in Fig. 3) bei einer Haltedauer von 10 Stunden bei Behandlungstemperaturen zwischen 1250 °C und 1270 °C.
Somit führt eine temporäre Absenkung der Temperatur des gesinterten MIM-Bauteils unterhalb der Sintertemperatur für eine gewisse Zeit zu einer signifikanten Kornvergrößerung.
In Fig. 4 ist die Kornvergrößerung auf Grund von Ausführungsformen der thermischen Behandlung deutlich anhand von Schliffbildern erkennbar. In der oberen Zeile ist jeweils die Mikrostruktur für ein MIM-Bauteil mit der Legierung-1 (links) und mit der Legierung-2 (rechts) nach dem Sintern dargestellt. Die Körner sind klein, teilweise in der gewählten Vergrößerung kaum erkennbar.
In der unteren Zeile ist das Korngrößenwachstum dargestellt, das bei Anwendung einer Ausführungsform des Verfahrens zur thermischen Behandlung erreichbar ist.
Links unten ist für die Legierung-1 ein Schliffbild dargestellt, das sich nach einer Haltezeit von 10 Stunden und einer Haltetemperatur von 1260 °C, d.h. 45 °C unterhalb der Sintertemperatur von 1305 °C, ergibt.
Rechts unten ist für die Legierung-2 ein Schliffbild dargestellt, das sich nach einer Haltezeit von 30 Stunden und einer Haltetemperatur von 1280 °C, d.h. 25 °C unterhalb der Sintertemperatur von 1305 °C, ergibt.
In beiden Fällen liegen die Korngrößen nach der thermischen Behandlung im Bereich oberhalb von 500 µm, wobei alle Schliffbilder in Figur 4 die gleiche Vergrößerung aufweisen.
Eine genauere Betrachtung der thermisch behandelten Proben der Figur 4 zeigt, dass es eine Aufteilung der Korngrößen in den Proben gibt. Die Korngröße in den Oberflächenbereichen (d.h. am Rand der Proben in Figur 4) ist kleiner als in der jeweiligen Zentralregion. Diese Aufteilung hat einen technischen Vorteil, da große Körner in der Zentralregion für eine hohe Kriechbeständigkeit sorgen und kleine Korngrößen am Rand vorteilhaft für die Hochtemperaturkorrosionsfestigkeit sind. Die Körnigkeit des Randbereichs nach der thermischen Behandlung entspricht in etwa der Körnigkeit des Randbereichs nach dem Sintern.
Im Folgenden werden Messungen mechanischer Eigenschaften dargestellt, die nach einer Wärmebehandlung mit dem in Figur 4 dargestellten Kornvergröberungseffekt gewonnen wurden.
In Tabelle 3 sind im oberen Teil die Standzeit bis zum Bruch, die relative Dehnung und die minimale Kriechrate des Bauteils nach dem Sintern angegeben.

Im unteren Teil der Tabelle 3 sind die Standzeit bis zum Bruch, die Dehnung bis zum Bruch und die minimale Kriechrate des Bauteils nach der nachgeschalteten thermischen Behandlung angegeben.

Tabelle 3

	Test Bedingungen	Standzeit bis zum Bruch	Dehnug(%)	Minimale Kriechrate (%/h*10^-3)
Nach Sintern	700°C/550MPa	56.04	0.89	9.1
	800°C/300MPa	193.7	4.32	14.3
	800°C/250MPa	436.89	5.25	6.9
	900°C/150MPa	71.02	11.49	49.4
	900°C/125MPa	134.74	15.45	23.5

Mit thermischer Behandlung	700°C/550MPa	59.43	0.47	1.4
Mit thermischer Behandlung	800°C/300MPa	187.76	0.46	0.6
	800°C/250MPa	1218.38	0.43	0.1
1260°C/15h	900°C/150MPa	669.85	0.61	0.6
1080°C/4h
870°C/20h

Die thermische Behandlung erfolgte hier in 3 Schritten: Glühung bei 1260 °C für 15 Stunden bei der das beobachtete erhebliche Kornwachstum oder die sekundäre Rekristallisation auftritt und eine zweistufige Auslagerung (1080 °C (für 4 Stunden) und 870 °C (für 20 Stunden)).
In Figur 5 ist ein sogenanntes Larson-Miller-Diagramm dargestellt. Dabei ist für die oben beschriebene Legierung-1 die mechanische Spannung doppelt-logarithmisch über dem Larson-Miller Parameter P aufgetragen, d.h., es wurden Kriechversuche bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt.
Auf Grund der geringen Duktilität des erhitzten Legierungsbauteils sind die Daten nur über die Zeit bis zur 0,4 % Dehnkurve aufgetragen. Die Wärmebehandlung führt zu einer Kornvergröberung und damit zu einer Abnahme der minimalen Kriechrate bzw. Zunahme der Kriechbeständigkeit und Zeitstandfestigkeit, jedoch auch zu einer gleichzeitigen Abnahme der Duktilität.
Aus der Figur 5 ist ersichtlich, dass die Kriechrate durch die Wärmebehandlung (Messpunkte als Quadrate) der MIM-Bauteile gegenüber den nur gesinterten MIM-Bauteilen (Messpunkte als Kreise) deutlich geringer ist, d.h. die Kriechbeständigkeit wird durch die Wärmbehandlung deutlich erhöht. Die Verbesserung der Kriecheigenschaften ist dabei insbesondere bei höheren Temperaturen und niedrigerem mechanischen Spannungsniveau ausgeprägt
Die hier dargestellten mittleren Korngrößen sind beispielhaft für die Ausführungsformen. Grundsätzlich können mit den Ausführungsformen Bauteile, nicht nur MIM-Bauteile hergestellt werden, die kriechbeständig sind und vergleichsweise große mittlere Korngrößen aufweisen. So liegen bei einem Flächenanteil von mindestens 20% mittlere Korngrößen von mehr als 200 µm vor.

Bezugszeichenliste

9: Drehachse
10: Flugzeugtriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Verdichter, Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter,
16: Brennervorrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypasskanal-Austrittsdüse
19: Turbine, Niederdruckturbine
20: Kerntriebwerksaustrittsdüse
21: Nacelle
22: Bypass-Kanal (Nebenstromkanal)
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Kerntriebwerkswelle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Planetengetriebe
32: Planetenrad
34: Planetenträger für Planetenräder
36: Verbindungen
38: Hohlrad
40: Verbindungen

A: Luftstrom durch Kerntriebwerk
B: Bypassluftstrom

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung eines Bauteils, insbesondere eines Metallpulverspritzguss-Bauteils (MIM-Bauteil), mit einer Nickel-Basis-Legierung, wobei das Bauteil nach dem Sintern, insbesondere unmittelbar nach dem Sintern, des Spritzgussprozesses für eine vorbestimmte Haltezeit mindestens einer Behandlungstemperatur unterhalb der Sintertemperatur ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der Sintertemperatur und der mindestens einen Behandlungstemperatur kleiner als 60 °C, insbesondere kleiner als 50° C, ganz insbesondere im Bereich von 20 und 40 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit der Behandlungstemperatur zwischen 0,5 Stunden und 50 Stunden, insbesondere zwischen 5 und 35 Stunden beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für 10 bis 20 Stunden, insbesondere 15 Stunden bei 1260 °C, für 2 bis 6 Stunden, insbesondere 4 Stunden bei 1080 °C und für 15 bis 25 Stunden, insbesondere 20 Stunden bei 870 °C gehalten wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickel-Basis-Legierung eine CM247LC-Legierung oder eine modifizierte CM247LC-Legierung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte CM247LC-Legierung Element-Anteile in folgenden Grenzen aufweist: Legierung (Gew.-%) Ni Cr Co Mo Al Ti Ta W C B Zr Hf Mod. CM247LC Legierung Min Bal. 7.5 9.0 0.4 5.4 0.0 0.0 9.3 0 0 0 0 Max Bal. 8.5 9.5 0.6 5.7 0.6 3.1 9.7 0.07 0.01 0.007 1.4
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte CM247LC-Legierung in der Summe einen Anteil von mehr als 1,5 Gew.-% an Karbidbildnern, C, Hf, Ti, Ta, B, Nb und / oder Zr und / oder Boridbildner W, Co und / oder Cr aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte CM247LC-Legierung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,05 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,04 Gew.-%, insbesondere von 0,03 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger als 1,4 Gew.-%, insbesondere einen Hafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von 0,4 Gew.-%, aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte CM247LC-Legierung einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,06 Gew.-%, insbesondere von 0,05 Gew.-% und einen Hafniumgehalt von weniger als 1,4 Gew.-%, insbesondere einenHafniumgehalt von weniger als 1 Gew.-%, insbesondere von weniger als 0,5 Gew.-%, insbesondere von 0,0 Gew.-%, aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Behandlungstemperatur zwischen 1240 und 1290 °C, insbesondere zwischen 1250 und 1285 °C, insbesondere bei 1260 °C, liegt.
Bauteil, insbesondere MIM-Bauteil, insbesondere herstellbar durch ein Verfahren nach mindestens einem der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 10, insbesondere mit einem Flächenanteil von mindestens 20% mit einer mittleren Korngröße von mehr als 200 µm, insbesondere von mehr als 400 µm und ganz insbesondere von mehr als 500 µm.
Bauteil, nach Anspruch 11, mit einem Flächenanteil von maximal bis zu 80 % mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 µm, insbesondere weniger als 100 µm und ganz insbesondere von weniger als 80 µm.
Bauteil, insbesondere MIM-Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Teil eines Triebwerks oder eines Turboladers, insbesondere eine Schaufel eines Verdichters, ein Verdichterteil, eine Halteplatte, ein Zapfen, ein Hebel, eine Mutter, eine Unterlegscheibe, ein Dämpfer oder eine Dichtung ist.
Flugzeugtriebwerk (10) mit
einem Kerntriebwerk (11) umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kerntriebwerkswelle (26) zur Verbindung der Turbine (19) mit dem Verdichter (14),
einem Fan (23) stromaufwärts des Kerntriebwerks (11), wobei der Fan (23) eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, und
einem Planetengetriebe (30), das auf der Eingangsseite mit der Kerntriebwerkswelle (26) verbunden ist und auf der Austrittsseite zum Antrieb so mit dem Fan (26) verbunden ist, dass die Drehzahl des Fans geringer ist als die Drehzahl der Kerntriebwerkswelle (26) mit mindestens einem Bauteil, insbesondere ein MIM-Bauteil nach mindestens einem der Anspruch 11 bis 13