DE102018107433A1

DE102018107433A1 - Einlaufbelagstruktur aus einem metallischen Werkstoff, Verfahren zur Herstellung einer Einlaufbelagstruktur und Bauteil mit einer Einlaufbelagstruktur

Info

Publication number: DE102018107433A1
Application number: DE102018107433.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dudeck; Karl Schreiber; Björn Ulrichsohn
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US20190301298A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einlaufbelagstruktur (51) mit mindestens teilweise geschlossenen Zellen, aus einem metallischen Werkstoff mit einer mittleren Zellenwandporosität zwischen 7 und 50%, insbesondere zwischen 20 und 40%, einer mittleren Zellenwandstärke zwischen 50 und 200 µm, insbesondere zwischen 80 und 150 µm, einer Zellengröße mit einem mittleren freien Durchmesser (D) zwischen 200 µm und 15 mm, insbesondere 2 mm oder insbesondere zwischen 8 und 12 mm und einem mittleren Kohlenstoffgehalt im Werkstoff zwischen 0 und 5 Masse-%, insbesondere zwischen 0,05 und 2 Masse-%. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil mit einer Polyederzellstruktur (51) und ein Verfahren zur Herstellung der Polyederzellstruktur (51).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einlaufbelagstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Einlaufbelagstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und ein Bauteil mit einer Einlaufbelagstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
In Turbomaschinen (z.B. Flugzeugtriebwerken) werden Bauteile z.B. in Labyrinthdichtungen oder Linern verwendet, die unter einer mechanischen Belastung gezielt versagen; diese werden hier als Einlaufbelagstrukturen bezeichnet. So werden z.B. in Labyrinthdichtungssystemen Honigwabenstrukturen aus duktilem Material (z.B. Hastelloy X) und Dichtlippen (ohne Beschichtung z.B. aus TBT406) verwendet. Beim Einlaufen, d.h. wenn ein mechanischer Kontakt mit der Honigwabenstruktur vorliegt, wird auf Grund der Reibung Wärme freigesetzt, so dass die Rippen der Labyrinthdichtung brechen können. Andere Dichtungen sind aus der DE 102 21 114 C1 oder der DE 10 2009 016 803 A1 bekannt. Zelluläre Strukturen und Verfahren zu deren Herstellung sind z.B. aus der US 6,916,529 B2 , der DE 39 02 032 C2 und der EP 2 418 354 A1 bekannt.
Es besteht die Aufgabe, das Verhalten solcher Bauteile mit Hohlräumen (z.B. Zellen) bei mechanischen Kontaktereignissen gezielt zu beeinflussen, so dass weniger Wärme freigesetzt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Einlaufbelagstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Einlaufbelagstruktur weist mindestens teilweise geschlossenen Zellen aus einem metallischen Werkstoff auf. Die Zellen bilden z.B. eine Polyederzellstruktur als eine spezielle Form eines zellulär strukturierten Materials. Die Zellen, d.h. die Hohlräume werden dabei von Vielecken, in der Regel unregelmäßigen Vielecken, gebildet. Grundsätzlich können auch andere Zellstrukturen für die Einlaufbelagstrukturen verwendet werden.
Die Zellenwandporosität, d.h. die Porosität der Zellenwände liegt im Mittel zwischen 7 und 50%, insbesondere zwischen 20 und 40%.
Die mittlere Zellenwandstärke liegt zwischen 50 und 200 µm, insbesondere zwischen 80 und 150 µm.
Die Zellgröße weist einen mittleren freien Durchmesser zwischen 200 µm und 15 mm, insbesondere zwischen 1 und 5 mm, insbesondere 2 mm, oder zwischen 8 und 12 mm auf. Der freie Durchmesser ist die längste Strecke innerhalb eines Zellenquerschnitts der Einlaufbelagstruktur.
Der metallische Werkstoff weist einen mittleren Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 5 Masse-%, insbesondere zwischen 0,05 und 2 Masse-% auf.
Mit dieser Kombination von Eigenschaften unterliegen Wandungen der Zellen insbesondere leichter einem Sprödbruch, d.h. das verwendete Material ist weniger duktil. Damit wird die Erzeugung von Wärme z.B. beim Einlaufen verringert.
In einer Ausführungsform weisen die Zellen im Mittel 10 bis 30 Seitenflächen, insbesondere 15 bis 25 Seitenflächen auf. Die Seitenflächen werden im Fall einer Polyederzellstruktur durch Vielecke gebildet.
In einer Ausführungsform wird als metallischer Werkstoff MCrAlY, oder eine Legierung mit einem Anteil an Aluminium, Chrom und / oder Hafnium verwendet.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Dabei wird ein pulvermetallurgisches Verfahren, insbesondere ein Abformverfahren eingesetzt, bei dem ein Metallpulver und ein Templat aus Kunststoff als Ausgangsmaterialien verwendet werden.
In einer Ausführungsform weist das Templat Kunststoffpartikel, insbesondere aus Polystyrol, auf, wobei der mittlere Durchmesser der Kunststoffpartikel zwischen 0,02 und 0,3 mm liegt und ggf. ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Pentan, als Treibmittel aufweist. Zusätzlich und alternativ kann das Metallpulver einen Durchesser d₅₀ zwischen 5 und 15 µm aufweisen.
In einem ersten Schritt werden die Kunststoffpartikel auf eine Temperatur oberhalb der entsprechenden Glastemperatur, insbesondere zwischen 80 und 125 °C, vorgeheizt, wodurch durch das Austreten des Treibmittels eine Vorschäumung einsetzt.
Anschließend erfolgt eine Beschichtung der Kunststoffpartikel mit einem Metall und einem Binder, insbesondere in einem Wirbelschichtverfahren.
Dann werden die beschichteten Kunststoffpartikel unter Wärmezufuhr in eine Kavität geblasen, wobei sich die Kunststoffpartikel weiter ausdehnen und miteinander verschweißen und nach einer Abkühlung Zellenwände der Einlaufbelagstruktur übrigbleiben.
Durch eine thermische Behandlung werden organische Stoffe aus der Einlaufbelagstruktur entfernt.
Die Aufgabe wird auch durch ein Bauteil in einer Fluidmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit Figuren beschrieben, dabei zeigt

1 eine seitliche Schnittansicht eines Getriebe-Fan-Triebwerkes;
2 eine vergrößerte Ansicht einer seitlichen Schnittansicht des vorderen Teils des Triebwerks gemäß 1;
3 eine perspektivische Darstellung einer an sich bekannten Einlaufbelagstruktur;
4 eine Seitenansicht eines Segmentes einer Polyederzellstruktur als Ausführungsform einer Einlaufbelagstruktur;
5 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zellenwand einer Einlaufbelagstruktur;
6 eine vergrößerte Draufsicht einer Zellenwand einer Polyederzellstruktur (Material: MCrAlY) als Ausführungsform einer Einlaufbelagstruktur;;
7 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zelle einer Zellstruktur (Material: MCrAlY) in einer Einlaubelagstruktur;
8 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zellenwand (Material: MCrAlY);
9 eine weitere vergrößerte Schnittansicht einer Zellenwand (Material: MCrAIY);
10 eine vergrößerte Schnittansicht einer Verbindungsstelle.

Im Folgenden wird anhand eines Getriebefan-Triebwerks ein möglicher Einsatz von Ausführungsformen der Einlaufbelagstruktur beschrieben.
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 23 wird durch die Niederdruckturbine 19 über die Welle 26 und ein Planetengetriebe 30 angetrieben. An der Innenseite der Nacelle 21 liegt dem Fan 23 gegenüber ein Liner 50, der u.a. eine Ausführungsform eines weiter unten beschriebenen Bauteils mit einer Einlaufbelagstruktur 51 aufweist (siehe 3).
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 2 dargestellt.
Die Niederdruckturbine 19 (siehe 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 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 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 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 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 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 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 einen 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 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht in der Ansicht von 1) umfasst. Die Axial-, Radial- und Umfangsrichtungen sind zueinander senkrecht.
Oben war dargestellt worden, dass ein Liner 50 eine Einlaufbelagstruktur 51 aufweisen kann.
In 3 ist in einer perspektivischen Darstellung ein Körper aus einer Polyederzellstruktur einer Einlaufbelagstruktur wiedergegeben. Die Schnittflächen zeigen, dass die Querschnitte der Zellen 52 häufig 4 bis 7 Ecken aufweisen. Die Zellen werden im Mittel von ca. 10 bis 30 Seitenflächen begrenzt.
In der 3 ist bespielhaft ein freier Durchmesser D für eine Zelle 52 dargestellt. Das ist hier die längste Strecke innerhalb des Querschnitts der Zelle 52. Der mittlere freie Durchmesser kann z.B. dadurch ermittelt werden, indem ein Schnitt durch eine Polyederzellstruktur 51 gebildet wird (wie z.B. in 3) und dann für alle Zellen 52 der längste Durchmesser ermittelt wird. Dieser wird dann über die Anzahl der Zellen 52 im Querschnitt gemittelt. Der mittlere freie Durchmesser D kann zwischen 200 µm und 15 mm betragen.
Die Porosität der Wandungen der Zellen 52 beträgt zwischen 7 und 50%. In den 5 und 6 sind vergrößerte Aufnahmen von Zellwänden dargestellt, die eine relative hohe Porosität aufweisen. 5 zeigt dabei eine Schnittansicht, 6 eine Draufsicht.
Die mittlere Zellenwandstärke der Zellen 52 beträgt zwischen 50 und 200 µm (siehe z.B. 7). Die Zellenwandstärke beträgt im gezeigten Beispiel ca. 100 µm. Wie diese Wände hergestellt werden, wird weiter unten noch erläutert.
In den 8 und 9 ist die Verdichtungsfähigkeit der Zellenwand darstellt. In 8 sind am oberen Rand der Zellstruktur und in 9 am linken Rand der Zellstruktur deutliche Verdichtungen, d.h. lokale Verringerung der Porositäten erkennbar. Damit wird eine verbesserte Mikroverformbarkeit erreicht.
In 10 ist dargestellt, dass die relativ hohe Porosität (und die damit einhergehende Kapillarwirkung) in der Zellwand auch dazu führt, dass ein Bauteil mit einer solchen Zellwand gut lötbar ist
Die Herstellung einer Ausführungsform dieser Polyederzellstruktur als eine Ausführungsform einer Einlaufbelagstruktur wird im Folgenden beschrieben.
Ausgangsmaterialien sind ein Metallpulver und ein Templat zur Bildung der Zellen.
Das Metallpulver weist einen mittleren d₅₀ zwischen 5 und 15 µm auf, d.h. die Pulverkörner sind relativ klein. Dabei kann z.B. MCrAlY als Metallpulver verwendet werden. In jedem Fall hat der metallische Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 5 Masse-%. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto besser die Sprödbrucheigenschaft aber desto geringer ist die Oxidationsbeständigkeit der Einlaufbelagstruktur 51.
Als Templat wird in einer Ausführungsform expandierbares Polystyrol verwendet, wobei die entsprechenden Granulatkörper einen mittleren Durchmesser von 0,2 bis 3,0 mm aufweisen. Indem Polystyrol der Templatkörper ist z.B. Pentan als Treibmittel in gelöster Form enthalten.
In der 4 ist ein Segment einer Einlaufbelagstruktur 51 dargestellt, das z.B. als Liner 50 in einem Flugzeugtriebwerk oder im Zusammenhang mit einer Labyrinthdichtung verwendet werden kann.
Der Fertigungsprozess weist im Wesentlichen auf vier Prozessschritte auf.
1. Zunächst werden die expandierbaren Polystyrolpartikel vorgeschäumt. Der Schaum entsteht bei Erwärmung dieser Partikel oberhalb der Glastemperatur von 75 - 100 °C.
Dabei kommt es zur Expansion des gelösten Gases (z.B. dem Pentan), wodurch das erweichte Polymer aufschäumt. Dabei vergrößert sich der Partikeldurchmesser ungefähr um das Dreifache. Beim Vorschäumen werden die Partikel mit Hilfe von Wasserdampf oder in selteneren Fällen mit heißer Luft oder heißem Wasser auf Temperaturen zwischen 80 und 125 °C erwärmt. Dadurch entstehen immer noch treibfähige sphärische Template, die dann im nächsten Schritt beschichtet werden.
2. Die einzelnen Zellen 52 der späteren Einlaufbelagstruktur 51 werden durch die Beschichtung der expandierten Polystyrolpartikel durch das Auftragen einer Binder/Metallpulver-Suspension erzeugt. Für diese Schlickerbeschichtung ist ein Wirbelschichtverfahren bekannt, insbesondere das Schaufelrotor- und kontinuierlich arbeitende Procell-Verfahren der Firma Glatt, Weimar, das z.B. in der DE 101 30 334 A1 beschrieben ist.
Beim dem Verfahren werden die Template durch eine Wirbelschicht in der Schwebe gehalten, wobei gleichzeitig der Schlicker vernebelt und in die Wirbelschicht eingesprüht wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Beschichtung aller Polystyrolpartikel erreicht.
Der Luftstrom, der die Wirbelschicht erzeugt, trocknet gleichzeitig den Schlicker auf den Polystyrolpartikeln. Dies führt zu einer festen, gut anhaftenden metallischen Schicht und verhindert ein Verschmieren des Schlickers in der Anlage sowie ein Verkleben der Template untereinander. Durch die gleichzeitig induzierte Rotationsbewegung werden die Produktpartikel verrundet und verdichtet, was die Beschichtungsqualität der Grünpartikel erheblich verbessert. Während der Beschichtung können wesentliche Parameter der Struktur gezielt insbesondere auf die oben genannten Werte für die Schichtdicke und die Porosität der Schicht eingestellt werden.
Die minimale Schichtdicke für eine homogene Schicht auf dem Templat beträgt etwa das Fünffache des Korndurchmessers des verwendeten Metallpulvers. Auch dicke Schichten von mehr als einem Millimeter können damit ökonomisch erzielt werden. Für die Fertigung von Einlaufbelagstrukturen müssen Suspensionen verwendet werden, die eine Expansion zulassen.
3. Die Herstellung der Einlaufbelagstruktur 51 erfolgt mit einem Formteilautomat. Darin wird durch Druckluftinjektoren das vorgeschäumte Material in eine Kavität geblasen. Diese Werkzeuge können aus einzelnen Formen oder Formennestern bestehen. Mittels Sattdampf werden nun bei Temperaturen von etwa 120 °C die expandierten Polystyrolpartikel über ihre Erweichungstemperatur gebracht. Die vorgeschäumten Polystyrolpartikel dehnen sich unter Einfluss der Wärme weiter aus, so dass sie den noch vorhandenen Hohlraum ausfüllen und miteinander verschweißen. Nach einer Abkühlung ist das Zellgerüst stabilisiert und das Formteil, d.h. die Polyederzellstruktur 51, wird ausgeworfen. Das Verfahren basiert insbesondere auf einem Klebevorgang. Dafür muss die binderhaltige Oberfläche der getrockneten metallischen Partikel angefeuchtet werden. Dadurch wird der Binder der beschichteten Partikel erneut aktiviert.
Die Polystyrol-Formkörper mit metallischer Beschichtung können auch nachgeschäumt werden. Bei sehr starkem Nachschäumen werden die einzelnen Partikel so weit geschäumt, dass die Zwickel zwischen den Zellen geschlossen werden, es entstehen dann die Polyederzellstruktur 51.
4. Mit einer anschließenden Wärmebehandlung werden zunächst die organischen Stoffe (Binder, Suspensionshilfsmittel, expandierte Polystyrol-Template) thermisch entfernt. Dabei liegen die Entbinderungstemperaturen zwischen 450 - 650 °C. Entbindert wird je nach Material unter einer H₂, Ar - H₂ (95% Ar) oder Ar-Atmosphäre.
Die Sinterung erfolgt üblicherweise unter Wasserstoff bei Sintertemperaturen zwischen 1250 und 1350 °C.
Für die Wärmebehandlung der Polyederzellstrukturen 51 wird in erster Linie auf eine Ofentechnologie zurückgegriffen. Für geringere Stückzahlen erfolgt die Wärmebehandlung in Batch-Öfen. Dabei kommen Entbinderungsöfen und Sinteröfen zum Einsatz. Diese Verfahrensweise ist in Bezug auf Atmosphären und Temperaturen sehr flexibel.
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
50: Einlaufbelag
51: Einlaufbelagstruktur
52: Zelle einer Polyederzellstruktur
A: Luftstrom durch Kerntriebwerk
B: Bypassluftstrom
D: freier Durchmesser einer Zelle in einer Polyederzellstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10221114 C1 [0002]
DE 102009016803 A1 [0002]
US 6916529 B2 [0002]
DE 3902032 C2 [0002]
EP 2418354 A1 [0002]
DE 10130334 A1 [0055]

Claims

Einlaufbelagstruktur (51) mit mindestens teilweise geschlossenen Zellen, aus einem metallischen Werkstoff mit einer mittleren Zellenwandporosität zwischen 7 und 50%, insbesondere zwischen 20 und 40%, einer mittleren Zellenwandstärke zwischen 50 und 200 µm, insbesondere zwischen 80 und 150 µm, einer Zellengröße mit einem mittleren freien Durchmesser (D) zwischen 200 µm und 15 mm, insbesondere 2 mm oder insbesondere zwischen 8 und 12 mm und einem mittleren Kohlenstoffgehalt im Werkstoff zwischen 0 und 5 Masse-%, insbesondere zwischen 0,05 und 2 Masse-%.
Einlaufbelagstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zellen (52), insbesondere in Form einer Polyederzellenstruktur, mit im Mittel 10 bis 30 Seitenflächen, insbesondere 15 bis 25 Seitenflächen.
Einlaufbelagstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff MCrAlY, oder eine Legierung mit einem Anteil an Aluminium, Chrom und / oder Hafnium verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Einlaufbelagstruktur, insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulvermetallurgisches Verfahren, insbesondere ein Abformverfahren eingesetzt wird, bei dem ein Metallpulver und ein Templat aus Kunststoff als Ausgangsmaterialien verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Templat Kunststoffpartikel, insbesondere aus Polystyrol, aufweist, wobei der mittlere Durchmesser der Kunststoffpartikel zwischen 0,02 und 0,3 mm liegt und ggf. ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Pentan, als Treibmittel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver einen Durchesser d₅₀ zwischen 5 und 15 µm aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffpartikel auf eine Temperatur oberhalb der entsprechenden Glastemperatur, insbesondere zwischen 80 und 125 °C, vorgeheizt werden, wodurch durch das Austreten des Treibmittels eine Vorschäumung einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vorschäumen eine Beschichtung der Kunststoffpartikel mit einem Metall und einem Binder, insbesondere in einem Wirbelschichtverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Kunststoffpartikel unter Wärmezufuhr in eine Kavität geblasen werden, wobei sich die Kunststoffpartikel weiter ausdehnen und miteinander verschweißen und nach einer Abkühlung Zellenwände der Einlaufbelagstruktur 51) übrigbleiben.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine thermische Behandlung organische Stoffe aus der Einlaufbelagstruktur (51) entfernt werden.
Bauteil in einer Fluidmaschine, insbesondere einer Turbomaschine, einer Pumpe, einem Flugzeugtriebwerk, einer Gasturbine, einer Schaufel in einer Turbomaschine mit mindestens einer Einlaufbelagstruktur (51) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Einlaufbelag, Einlauffläche oder Dichtfläche für eine Labyrinthdichtung ausgebildet ist.