DE4338457C2 - Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale und porösem Kern und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall oder Keramik mit dich­ ter Außenschale und porösem Kern, wobei die Außenschale aus dichtgesintertem Pulvermaterial besteht, und ein Herstellungsverfahren des Bauteils.

Bauteile mit dichter Außenschale und porösem Kern sind aus der Kunststoffherstellung bekannt, wobei eine dichte Außenhaut durch Erhitzen der Oberfläche einer geschäumten Kunstoffmasse erzeugt wird.

Für metallische oder keramische Bauteile werden Kernporositäten nur dadurch erreicht, daß beispielsweise beim Sintern mit un­ terschiedlichen Vollpartikelgrößen gearbeitet wird oder daß Schaummetalle in eine dichte Außenschale eingebracht werden. Das hat den Nachteil, daß die Variation der Porosität und die Anpassung der Porosität an festigkeitsbedingte und konstruktive Forderungen äußerst begrenzt ist. So ist es bisher nicht mög­ lich, ein mechanisch hochbeanspruchtes Bauteil für hohe Flä­ chenpressungen auf eine dünnwandige Außenschale mit hoher Poro­ sität des Kerns zu realisieren.

Aus der EP 0 446 673 A1 ist ein Sinterkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, der eine dichte Randzone aus feinkörnigem Sinterpulver und einen grobkörnigen, hochporösen Kern aufweist. Die Randzone soll gezielte Oberflächeneigenschaften besit­ zen, um Nacharbeiten zu vermeiden. Der Einsatz gesinterter Hohlkugeln sowie deren spe­ zielle Anordnung im Kern zur Schaffung eines leichten Bauteils, dessen dünnwandige Au­ ßenschale hohe Flächenpressungen aufnehmen kann, wird weder offenbart noch proble­ matisiert.

In der US 4,925,740 ist ein Bauteil offenbart, bei dem in Bereichen hoher Belastung kleine­ re Kugeln und in Bereichen geringerer Belastung größere Kugeln angeordnet werden, um das Verhältnis von Bauteilfestigkeit zu -gewicht zu variieren. Die Kugeldurchmesser blei­ ben jedoch zum Kernzentrum hin gleich, so daß eine lagenweise Schichtung der Hohlku­ geln zur Aufnahme hoher Flächenpressungen nicht erfolgt.

Die DE-PS 39 02 032 offenbart ein gesintertes Leichtbauteil mit einem Herstellungsverfah­ ren, das aus metallischen, in einer dichtesten Kugelpackung angeordneten Hohlkugeln aufgebaut ist, die annähernd gleiche Durchmesser aufweisen und nicht lagenweise ge­ schichtet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das eine Struk­ tur aufweist, die eine dichte feste dünnwandige Außenschale zur Aufnahme hoher Spannungen und Flächenpressungen und einen geschlossen porösen Kern zur Aussteifung ausbilden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Kern zur Aufnahme hoher Flächenpressungen der Außenschale ges­ interte Hohlkugeln aufweist, die lagenweise geschichtet sind und zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige oder polygona­ le Hohlräume ausbilden.

Dabei kann eine Lage falls erforderlich nur aus einer Monolage von Hohlkugeln gleichen Durchmessers bestehen und der Durch­ messer zum Kerninnern hin stufenweise derart zunehmen, daß ein gradueller Übergang von einer dichten Außenschale zu einer großen Porigkeit im Innern des porösen Kerns entsteht mit dem Vorteil, daß eine hohe Aussteifung der dünnwandigen Außenschale bei gleichzeitig minimalem Gewicht entsteht, was besonders vorteilhaft für Bauteile im Triebwerksbau, wie Triebwerksschau­ feln, und im Motorenbau, wie Verdichterkolben, ist. Besonders die Flächenpressung, die auf den Deckel eines Verdichterkolbens während der Verbrennung einwirkt, kann mit einer derartigen Bauteilstruktur von einer relativ dünnwandigen Außenschale problemlos aufgenommen werden. Flächenpressungsspitzen, wie sie in den Bohrungen für den Kolbenbolzen auftreten, können durch entsprechende Lagenanordnung und Auswahl der Hohlkugeldurch­ messer des Kerns aufgenommen werden.

Deshalb weisen enge Kernquerschnitte vorzugsweise kleinere Hohlräume als weite Kernquerschnitte auf. Die Größe der Hohl­ räume wird durch den Innendurchmesser der gesinterten Hohlku­ geln festgelegt. Zu einer Bildung polygoner Hohlräume kommt es, wenn beim Sintern oder nach dem Sintern der Außenschale mit eingeschlossenen Hohlkugeln das Bauteil heißisostatisch gepreßt wird.

Überwiegend kugelige Hohlräume bleiben erhalten, wenn vorzugs­ weise die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln mit Material aufge­ füllt sind, wobei dieses Material aus Pulverpartikeln von gleicher chemischer Zusammensetzung wie das Hohlkugelmaterial sein kann. Nach dem Sintern sind dann die Hohlräume zwischen den Hohlku­ geln vorzugsweise mit gesintertem Material gefüllt.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vor dem Sintern neben sinterfähigem Pulver auch Fasermaterial zwischen den Hohlkugellagen eingelegt. Das hat den Vorteil, daß die mechanische Festigkeit des Kerns besonders für Zugbelastungen erhöht wird. Da Rotorschaufeln in Triebwerken erhöhten Zugbela­ stungen ausgesetzt sind, wird das Fasermaterial vorzugsweise für derartigen Anwendungen in die Hohlräume zwischen den Hohl­ kugeln eingebracht und teilweise oder vollständig von Matrixma­ terial umgeben.

Vorzugsweise sind das Pulvermaterial der Außenschale und falls erforderlich das Pulvermaterial zwischen den Hohlkugeln und die Hohlkugeln selbst aus Metall oder Metallegierungen. Hierzu werden vorzugsweise die Metallegierungen eingesetzt, die schwierig zu bearbeiten sind, wie hochlegierte Stähle, Kobalt-, Titan- oder Nickelbasislegierungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung bestehen das Pulvermaterial und die Hohlkugeln aus intermetallischen Verbindungen. Bauteile aus diesen Legierungen zeichnen sich durch ihre Härte und durch ihre Korrosionsfestigkeit aus, sind aber mechanisch und elektrochemisch schwierig bearbeitbar. Deshalb erweist sich die erfindungsgemäße Bauteilstruktur für diese Materialien als besonders vorteilhaft geeignet.

In weit höherem Maße treffen diese Vorteile auf Bauteile zu, bei denen das Pulvermaterial und die Hohlkugeln aus Keramik sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann die Materialdichte vor­ zugsweise von der Außenschale zum Zentrum des Kerns hin von nahezu 100% auf bis zu 3% abnehmen und die Porosität entspre­ chend von annähernd 0% auf bis zu 97% anwachsen. Derartige Werte sind bei bisherigen Bauteilen unerreicht. Mit dieser hohen einstellbaren Zunahme der Porosität lassen sich hochfeste Bauteile bei gleichzeitig minimalem Gewicht konzipieren. Dazu weisen die Hohlkugeln im Kern einen von Außen nach Innen an­ wachsenden Innendurchmesser auf, der zwischen 0,01 und 10 mm liegt. Ein Bereich zwischen 0,3 bis 5 mm wird dann eingesetzt, wenn gröbere Übergänge zwischen den Hohlkugellagen zulässig sind und wenn insbesondere die Hohlräume zwischen den Hohlku­ geln durch Fasermaterial und/oder Sinterpulver aufgefüllt sind.

Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metall oder Keramik mit dichter, geschlossener Außenschale und porösem Kern anzugeben wird durch die folgenden Verfahrens­ schritte erreicht:

• a) Herstellen von Schlickern mit Wasser oder Alkohol und/oder Bindern in unterschiedlichen Ansätzen sowohl mit Voll­ pulvern unterschiedlicher Partikelgröße als auch mit Hohlkugeln unterschiedlichen Durchmessers,
• b) Erzeugen einer Außenschale als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröße zur Aus­ bildung der Außenschale eingesetzt werden,
• c) Erzeugen eines porösen Kerns mittels Schlickern aus Hohl­ kugeln, wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel- Schlickern mit zunehmendem Kugeldurchmesser von Innen auf die Außenschale aufgebracht werden,
• d) Ausbrennen von Lösungsmitteln und Bindern und Sintern der Schlickerschichten ganz oder teilweise in der Schlicker­ form zu einem Bauteil.

Nach dem Erstellen der unterschiedlichen Schlickeransätze, werden diese getrennt bis zum Einsatz für eine der zu bildenden Lagen aufbewahrt. Die Schlickeransätze werden dabei als Gieß­ masse zum Eingießen in eine Form, als streichfähige beispiels­ weise lufttrocknende Masse zum Aufspritzen oder Aufstreichen auf eine formgebende Oberfläche oder als Spachtelmasse zum Auftra­ gen auf eine formgebende Oberfläche hergestellt. Die Schlicker­ form, in der sich die unterschiedlichen Schlicker absetzen oder die formgebende Oberfläche, auf der bei pastenartigen oder lackartigen Schlickeransätzen die Schlicker mittels Spachteln oder Streichen aufgetragen werden, wird stufen- oder lagenweise erweitert, während sich die Schlickerzusammensetzung von Stufe zu Stufe oder von Lage zu Lage ändert.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden unterschiedliche Schlickeransätze für die Außenschale aus Vollpartikeln und den porösen Kern aus Hohlkugeln nacheinander in eine Schlickerform über eine Eingußöffnung eingegossen. Nach Anlegen einer Schlickerschicht an die inneren Oberflächen der Form werden die Reste der unterschiedlichen Schlickeransätze über die Eingußöffnung ausgebracht. Abschließend wird die Eingießöffnung mit einer Folge von unterschiedlichen Schlicker­ gußlagen verschlossen. Das hat den Vorteil, daß auf einfachste Weise Bauteile mit komplexen Strukturen und dem erfindungsgemäßen Außen­ schalen- und Kernaufbau hergestellt werden können. Bei Bauteilen wie Turbinenschaufeln, wie in Fig. 2 gezeigt, kann sogar ein Verschließen der Eingußöffnung unterbleiben, wenn die Schaufelspitze als Einguß­ öffnung ausgebildet wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Außenschale eines hohlen Bauteils in zwei getrennten Schritten und aus zwei Hälften, einer inneren und einer äußeren Außenschale bestehend hergestellt. Dazu wird zunächst die innere Außenschale als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlicker­ form abgesetzt, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikel­ größe zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der inneren Außenschale eingesetzt werden. Anschließend wird ein poröser Kern aus Hohlkugeln erzeugt, wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel-Schlickern mit zunächst zunehmendem und anschließend ab­ nehmendem Kugeldurchmesser auf die innere Außenschale aufgebracht werden. Abschließend wird eine äußere Außenschale des Bauteils, das vorzugsweise Hohlräume aufweist, mittels hochsinterfähigem Vollpulver erzeugt, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer porenfreien Außenhaut und nach Innen Schlicker­ schichten mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der äußeren Außenschale mit nach Innen zunehmender Porengröße eingesetzt werden.

Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, daß sie besonders für hohle Bauteile wie Zylinder, Töpfe, Gehäuse, Kolben u. a. nutzbringend ein­ setzbar ist.

Für eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens werden die Schlickeransätze als Gießmassen zum Eingießen in eine Schleuderguß­ form hergestellt. Anschließend werden die unterschiedlichen Schlicker­ lagen für eine äußere Außenschale, einen porösen Kern aus Hohlkugeln und eine innere Außenschale durch Schleuderguß in einer Schleuderguß­ vorrichtung aufgebracht, was vorteilhaft eine sehr genaue Abstufung in der Reihenfolge der aufzubringenden Schichten ermöglicht.

Bei weiteren bevorzugten Durchführungen des Verfahrens werden Schlickeransätze als spritzfähige, streichfähige oder spachtelfähige Massen hergestellt. Anschließend werden unterschiedliche Schlickerlagen für eine innere Außenschale, einen porösen Kern aus Hohlkugeln und eine äußere Außenschale auf eine formgebende Oberfläche mittels Streichen, Spritzen oder Spachteln aufgebracht. Dieses ermöglicht vorteilhaft, erfindungsgemäße Bauteile auf einer komplexen Ober­ fläche herzustellen.

Bei der Herstellung von Bauteilen mit Hohlräumen und erfindungsge­ mäßer Struktur wird zunächst auf eine Grundform oder Innenform ein Schlicker mit Feinpulver für eine dichte innere Außenschale eines Bauteils aufgetragen und der mittlere Pulverdurchmesser von Lage zu Lage gesteigert. Danach wird zu Hohlkugelschlickern übergegangen und ebenfalls von Lage zu Lage der Hohlkugeldurchmesser erhöht bis das Zentrum des porösen Kerns aufgebaut ist. Danach wird in ähnlicher Weise zunächst der Hohlkugeldurchmesser von Schlickerlage zu Schlic­ kerlage reduziert und abschließend werden die Vollpartikellagen mit abnehmendem mittleren Partikeldurchmesser aufgebracht, so daß eine äußere Außenschale das Bauteil abschließt, wobei die Schlickerform mit der feinsten Pulverstufe ihre Endform erreicht.

Zwischen dem Einbringen jeder Schlickerlage erfolgt vorzugs­ weise ein Ausgasen von Lösungsmitteln, so daß vorteilhaft mit der letzten äußeren Schlickerlage ein Grünling fertiggestellt ist, der mit oder ohne eine Stützung durch die Schlickerform oder formgebende Oberfläche einem Ausbrennen von Bindern und/- oder einem Sinterprozess zugeführt werden kann.

Vorzugsweise wird der Sinterschritt in einer Presse unter Druck bei Erweichungstemperatur der Hohlkugeln zur Ausbildung von polygonen Hohlräumen oder Poren vorgenommen. Dadurch entsteht vorteilhaft ein mit systematisch angeordneten geschlossenen Poren ausgestattetes Leichtbauteil, das höchsten Flächenbela­ stungen ausgesetzt werden kann, da das Material zwischen den Poren äußerst dicht gesintert ist und aufgrund der graduellen Zunahme des Porenvolumens zum Zentrum des Kernmaterials des Bauteils hin eine Aussteifung erfährt, die mit herkömmlichen Strukturen aus Vollmaterial nicht erreichbar ist.

Das Ausbrennen von Bindern und/oder der Sinterschritt können vorzugsweise auch unmittelbar nach jedem Einbringen einer Schlickerlage erfolgen. In diesem Fall nimmmt zwar die Anzahl der Ausbrenn- und/oder Sinterschritte erheblich zu, anderer­ seits wird jedoch eine äußerst präzise gestaltete innere Struk­ tur des Kerns bzw. des Bauteils erreicht.

Die aus Vollpartikelmaterial hergestellte, gesinterte Außen­ schale des Bauteils kann vorzugsweise durch Infiltration oder Aufbringen und Eindiffusion von Sintermaterial nachverdichtet werden, falls eine hohe Festigkeit gegen Mikrorisse, Korrosion und Erosion erreicht werden soll.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens bestehen die Partikel und Hohlkugeln in den Schlickeransätzen teilweise aus metallischen Komponenten intermetallischer Verbindungen. Dabei wird ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen den metallischen Komponenten dadurch hergestellt, daß entsprechende Gewichts­ verhältnisse bei der Zusammensetzung der Kugeln und der Pulver­ teilchen eingehalten werden. Beim anschließenden Sinterschritt wird dann die Reaktionstemperatur zur Ausbildung intermetalli­ scher Verbindungen gefahren, so daß vorteilhaft das gesamte Bauteil nach dem Sinterprozess aus einer intermetallischen Verbindung besteht, was aufgrund der Härte und Sprödigkeit von intermetallischen Verbindungen mit Schmieden und spanabhebender Bearbeitung nicht realisiert werden kann.

Dauer und Temperatur des Sinterschritts müssen dem sinterfähi­ gen Material der Vollpartikel und Hohlkugeln des Schlickergus­ ses angepaßt sein. Bei einem vorzugsweisen Materialwechsel zwischen den einzelnen Schlickerlagen kann es deshalb erforder­ lich werden, daß einerseits bereits nach Einbringen jeder Schlickerlage ausgebrannt und/oder gesintert werden muß und darüber hinaus jeder Brenn- und/oder Sinterschritt bei unter­ schiedlich angepaßten Temperaturen für entsprechend angepaßte Zeitspannen durchzuführen ist.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren beim Sintern ist ein heißi­ sostatisches Pressen. Hierzu wird das Bauteil als Grünling oder in seiner Schlickerform eingekapselt, bevor es den hohen Drüc­ ken einer Isostatpresse ausgesetzt wird. Bei diesem heißiso­ statischen Pressen verformen sich die Hohlkugeln zu polygonalen Strukturen, wobei die Hohlkugelwände zu einem dichten massiven Gerüst zusammensintern.

Die folgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben eines Ver­ brennungsmotors.

Fig. 2a zeigt einen Abschnitt einer Turbinenschaufel eines Triebwerks.

Fig. 2b zeigt eine Turbinenschaufel

Fig. 3 bis 5 zeigen prinzipielle Verfahrensschritte zur Her­ stellung von Bauteilen nach Fig. 1 oder Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben 1 eines Ver­ brennungsmotors. Dieser Kolben 1 besteht aus einer Metallegie­ rung. Er weist eine dichte Außenschale 2 auf, die aus dichtges­ intertem Pulvermaterial besteht, wobei das Pulvermaterial der Außenschale 2 aus mehreren Lagen Schlickerguß entstanden ist. Die äußerste Lage wurde mit Pulvermaterial aus äußerst kleinen Partikeln von weniger als 10 µm mittlerem Durchmessers herge­ stellt. Zum Innern hin folgen Schlickergußlagen aus Pulvern von zunehmender Vollpartikelgröße, die einen mittleren Partikel­ durchmesser bis 500 µm aufweisen.

An die Außenschale 2 schließt sich ein poröser Kern 3 an. Dieser, Kern 3 besteht aus gesinterten Hohlkugeln, die lagenweise ge­ schichtet sind und zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige oder polygonale Hohlräume ausbilden. Die sinterfähigen Hohlku­ geln für das Kernmaterial werden mittels Schlickerguß lagenwei­ se eingebracht, wobei die äußerste Lage des Kerns auf der In­ nenseite 4 der Außenschale 2 kleinere Hohlkugeldurchmesser aufweist, als das innerste Volumen 8, 9 des Kerns.

Je nach Flächenbelastung der Außenschale 2 werden kleinere (für hohe Flächenbelastung) oder große (für geringe Flächenbelastun­ gen) Hohlkugeldurchmesser eingesetzt. So ist beispielsweise im Bereich der Kolbenbohrungen 5, 6 für die Aufnahme des Bolzens der Pleuelstange eine Außenschale mit einem engen Kernquer­ schnitt 7 vorgesehen und dieser enge Kernquerschnitt mit rela­ tiv kleinen Hohlkugeln aufgefüllt, um eine hohe Belastung auf­ nehmen zu können. Die großvolumigen Bereiche 8, 9 sind hingegen mit größeren Hohlkugeln ausgestattet, da hier die Belastung entsprechend geringer ist.

Die Struktur des Kerns 3 und der Außenschale 2 sind damit in Gewicht und Festigkeit genau an die Belastungen anpaßbar und jedes Volumen, das niedrigen Belastungen ausgesetzt ist, kann mit entsprechen größeren Materialporen ausgestattet werden.

Fig. 2a zeigt einen Abschnitt einer Turbinenschaufel 20, die aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale 21 und porösem Kern 23 besteht. Die Außenschale 21 ist aus dichtgesintertem Pulvermaterial aufgebaut und der Kern 23 besteht aus gesinter­ ten Hohlkugeln 24, 25, 26 unterschiedlichen Durchmessers. Diese Hohlkugeln 24, 25, 26 sind lagenweise geschichtet und bilden zum Kernzentrum hin größer werdende kugelige oder polygonale Hohlräume. Die dichtgesinterten Hohlkugeln 24, 25, 26 stützen die mit 100 µm relativ dünne Außenschale 21, so daß hohe Flächen­ pressungen von der Außenschale 21 aufgenommen werden können. Die Zugfestigkeit des Schaufelblattes 22 wird durch Fasern 27 er­ höht, die in Richtung der Zugbelastung zwischen den Hohlkugeln im Matrixmaterial eingelagert sind. Als Matrixmaterial wird feines sinterfähiges Vollpulvermaterial eingesetzt, das in seiner chemischen Zusammensetzung den Hohlkugeln entspricht oder deren Material in seiner Sinterfähigkeit verbessert.

Als Fasermaterialien werden bei metallischen Hohlkugeln und Matrixmaterial vorzugsweise Siliziumkarbidfasern oder Kohlen- Stoffasern eingesetzt. Bei Schaufelblättern aus Keramik werden vorzugsweise zwischen den Hohlkugeln in das chemisch gleich­ artige Matrixmaterial metallische Fasern eingelegt, so daß sich hohe Zugfestigkeit der Metalle und hohe Temperaturfestigkeit der Keramik ergänzen.

Durch Verankerung der Fasern 27 im Schaufelfuß lassen sich vor­ teilhaft hochfeste, temperaturbeständige Turbinenschaufeln in Leichtbauweise realisieren.

Fig. 2b zeigt eine Turbinenschaufel 20 mit Schaufelblatt 30 und Schaufelfuß 31. Das Schaufelblatt besteht aus einer gesinterten Außenschale 32, die nur wenige 10 µm dick ist. Die Außenschale 32 wird durch einen Kern aus gesinterten Hohlkugeln 33 gestützt, so daß hohe Flächenpressungen auf die Außenschale 32 einwirken können. Darüberhinaus weist der Kern Fasern 34 auf, die entlang der höchsten Zugbelastung den gesinterten Kern aus Hohlkugeln durchziehen und im aus Vollpulvermaterial gesinterten Schaufel­ fuß 31 verankert sind.

Fig. 3 bis 5 zeigen prinzipielle Verfahrensschritte zur Her­ stellung von Bauteilen nach Fig. 1 oder Fig. 2. Dazu werden zunächst mehrere Schlickeransätze mit Wasser oder Alkohol und/oder darin löslichen Bindern sowohl mit Vollpulvern unterschiedli­ cher Partikelgröße als auch mit Hohlkugeln unterschiedlichen Durchmessers hergestellt. Als nächstes wird eine innere Außen­ schale 41, wie in Fig. 3 dargestellt, als Erstschicht mit hoch­ sinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform hergestellt. Dazu kann Schlicker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröße zur Ausbildung der Außenschale nacheinander eingesetzt werden.

Eine Schlickerform für diesen Schritt zeigt Fig. 3. Die Schlickerform ist in diesem Beispiel zweiteilig und besteht aus einem Außenzylinder 48 und einem Innenzylinder 49, wobei der Innenzylinder beim Einbringen der unterschiedlichen Schlicker­ ansätze in den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenzylinder für alle Schlickerlagen unverändert bleibt. Der Außenzylinder wird dagegen für jede Schlickerlage gewechselt, wobei der In­ nendurchmesser des Außenzylinders mit jedem Schritt in Richtung der Pfeile A in Fig. 4 vergrößert wird. Dadurch wird ermög­ licht, daß sowohl die Pulverpartikel für die Außenschale 41 als auch die Hohlkugeln für den inneren Stützkern in Ihren Durch­ messern lagenweise anwachsen können.

Außen- und Innenzylinder weisen in diesem Beispiel an ihren unteren Enden Flansche 50, 51 auf, zwischen denen eine Ring­ dichtung 53 angeordnet ist. Die Ringdichtung dichtet den Zwi­ schenraum zwischen den beiden Flanschen des Innen- und Außen­ zylinders ab. Der Außenzylinder kann aus einem semipermeablen Material gefertigt werden, was vorteilhaft eine schnelle Trock­ nung der Schlickerschicht begünstigt, ohne daß die Schlicker­ schicht an Vollpartikeln oder Hohlkugeln verarmt.

Nachdem beispielsweise die innere Außenschale 41 durch zwei Schlickerlagen, die eine äußere Schlickerlage mit Vollpartikeln eines mittleren Partikeldurchmesser zwischen 10 und 30 µm und eine innere Schlickerlage mit Vollpartikeln eines mittleren Partikeldurchmesser zwischen 30 und 100 µm umfaßt, mittels zwei Außenzylindern unterschiedlichen Durchmessers hergestellt ist, wird die erste Schlickerlage des Kernmaterials aufgebracht. Dazu wird der zweite Außenzylinder gegen einen dritten Außen­ zylinder mit entsprechend größerem Innendurchmesser ausge­ tauscht und der Zwischenraum zwischen der inneren Außenschale 41 und dem Außenzylinder mit einem Schlickeransatz mit Hohlku­ geln eines mittleren Durchmessers von 100 bis 150 µm aufge­ füllt, so daß die erste Hohlkugelschlickerlage 42 gebildet wird.

Weitere Hohlkugelschlickerlagen 43, 44 mit zunehmendem mittleren Hohlkugeldurchmesser folgen, wie in Fig. 5 abgebildet. Die Hohlkugelschlickerlage 43 hat dabei einen mittleren Durchmes­ ser von 1 bis 1,5 mm und die Hohlkugelschlickerlage 44 einen Holkugeldurchmesser von 3 bis 5 mm.

Anschließend werden Schlickerlagen in umgekehrter Reihenfolge mit abnehmenden Hohlkugeldurchmessern und abnehmenden Vollpar­ tikeldurchmessern eingebracht, bis die äußere Außenschale 47 aufgebaut ist und ein topfförmiges Bauteil als Grünling herge­ stellt ist. Dieser topfförmige Grünling wird nun zu einem Leichtbauteil für hohe Flächenpressungen gebrannt und gesin­ tert. Das Brennen erfolgt für Bauteile aus Eisen-Nickellegie­ rungen unter, Vakuum bei 450°C für 5 Stunden und das Sintern bei 1350°C für 15 Minuten im Vakuum.

Durch eine komplexere Formgebung der Schlickerform können mit diesem Verfahren die in Fig. 1 und 2 abgebildeten Bauteile gefertigt werden. Dabei kann das Verfahren dahingehend modifi­ ziert werden, daß zwischen den Schlickergußlagen Fasern zur Verstärkung des Bauteils eingebracht werden. Auch können die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln durch Vollpartikelmateria­ lien, die dem Schlickeransatz mit Hohlkugeln zugegeben werden, mit Matrixmaterial aufgefüllt werden. Es ist außerdem möglich, durch heißisostatisches Pressen des Grünlings die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln ohne Zugabe von Vollpartikeln zu schließen. Dadurch entstehen im Kernbereich des Bauteils poly­ gonale Hohlräume oder Poren bei minimalem Bauteilgewicht. Für Bauteile aus Eisen-Nickellegierungen erfolgt das heißisostati­ sche Pressen bei einer Temperatur von 1350°C unter einem Druck von 1 MP für 1 Stunde in Inertgasatmosphäre, beispielsweise in Argon.

Weitere vorteilhafte Anwendungen für dieses Verfahren bilden die Herstellung von Maschinenteilen von Motor- und von Triebwerkskom­ ponenten, wie Zahnräder, Rotorscheiben, Gehäusen, Ventilen, Düsen­ wänden oder Klappen. Die für diese Komponenten zu verarbeitenden Materialien sind neben Keramiken und faserverstärkten Keramiken vorzugsweise Eisen-, Titan-, Kobalt- oder Nickelbasislegierungen.

Claims (22)

1. Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale (2; 21; 32) und porösem Kern (3; 23), wobei die Außenschale (2; 21; 32) aus dichtgesintertem Pulvermaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3; 23) zur Aufnahme hoher Flächenpressungen der Außenschale (2; 21; 32) gesinterte Hohlkugeln (24, 25, 26; 33) aufweist, die lagenweise geschichtet sind und zum Kernzentrum hin grö­ ßer werdende kugelige oder polygonale Hohlräume ausbilden.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß enge Kern­ querschnitte (7) kleinere Hohlräume aufweisen als weite Kernquer­ schnitte (8, 9).

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) mit Material aufge­ füllt sind.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) mit gesintertem Material gefüllt sind.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) Fasermaterial (27, 34) enthalten, das teilweise oder vollständig von Matrixmaterial umgeben ist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus Metall sind.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus inter­ metallischen Verbindungen bestehen.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial und die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) aus Keramik sind.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdichte von der Außenschale (2, 21, 32) zum Zentrum (8, 9) des Kerns (3, 23) hin von nahezu 100% auf bis zu 3% abnimmt und die Porosität entsprechend von annähernd 0% auf bis zu 97% anwächst.

10. Bauteil nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) im Kern (3, 23) einen von Außen nach Innen anwachsenden Innendurchmesser aufweisen, der zwischen 0,01 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 bis 5 mm liegt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metall oder Keramik mit dichter, geschlossener Außenschale und porösem Kern nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

• a) Herstellen von Schlickern mit Wasser oder Alkohol und/oder Bindern in unterschiedlichen Ansätzen sowohl mit Vollpulvern unterschiedlicher Partikel­ größe als auch mit Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) unterschiedlichen Durchmessers.
• b) Erzeugen einer Außenschale (2, 21, 32) als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlicker­ form, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Par­ tikelgröße zur Ausbildung einer feinporigen Außen­ haut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmen­ der Partikelgröße zur Ausbildung der Außenschale (2, 21, 32) eingesetzt werden,
• c) Erzeugen eines porösen Kerns (3, 23) mittels Schlickern aus Hohlkugeln, (24, 25, 26, 33) wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel-Schlickern mit zunehmendem Kugeldurchmesser von Innen auf die Außenschale aufgebracht werden,
• d) Ausbrennen von Lösungsmitteln und Bindern und Sintern der Schlickerschichten ganz oder teilweise in der Schlickerform zu einem Bauteil.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Her­ stellung eines hohlen Bauteils mit dichter geschlossener Außenschale (2) und porösem Kern (3) zunächst eine innere Außenschale (41) als Erstschicht mit hochsinterfähigem Vollpulver in einer Schlickerform hergestellt wird, wobei vorzugsweise Schlicker mit geringer Partikel­ größe zur Ausbildung einer feinporigen Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikelgröse zur Ausbildung der inneren Außenschale (41) eingesetzt werden und anschließend ein porö­ ser Kern (42, 43, 44) erzeugt wird, wobei weitere Schichten lagenweise aus Hohlkugel-Schlickern mit zunächst zunehmendem und anschließend abnehmendem Kugeldurchmesser auf die innere Außenschale aufgebracht werden und schließlich eine äußere Außenschale (47) mit hoch­ sinterfähigem Vollpulver erzeugt wird, wobei vorzugsweise Schlic­ ker mit geringer Partikelgröße zur Ausbildung einer porenfreien Außenhaut und nach Innen Schlickerschichten mit zunehmender Partikel­ größe zur Ausbildung der Außenschale (47) mit nach Innen zunehmender Porengröße eingesetzt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Schlickeransätze als Gießmassen zum Eingießen in eine Schleuder­ gußform hergestellt werden und unterschiedliche Schlickerlagen für eine äußere Außenschale (47) einen porösen Kern (42, 43, 44) aus Hohlkugeln und eine innere Außenschale (41) durch Schleuderguß in einer Schleudergußvorrichtung aufgebracht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Schlickeransätze als spritzfähige, streichfähige oder spachtel­ fähige Massen hergestellt werden und unterschiedliche Schlicker­ lagen für eine innere Außenschale (41) einen porösen Kern (42, 43, 44) aus Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) und eine äußere Außenschale (47) auf eine formgebende Oberfläche mittels Streichen, Spritzen oder Spachteln aufgebracht werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter­ schiedliche Schlickeransätze für die Außenschale (21) und den porösen Kern (23) aus Hohlkugeln (24, 25, 26) nacheinander in eine Schlickerform über eine Eingußöffnung gegossen werden und jeweils nach Anlegen einer Schlickerschicht an die inneren Oberflächen der Form die Reste der unterschiedlichen Schlickeransätze über die Eingußöffnung ausgebracht werden und abschließend die Einguß­ öffnung mit einer Folge von unterschiedlichen Schlickergußlagen verschlossen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sinterschritt in einer Presse unter Druck bei Erweichungstemperatur der Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) zur Ausbildung von polygonen Hohlräumen oder Poren vorgenommen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Einbringen jeder Schlickerlage ein Aus­ gasen von Lösungsmitteln erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einbringen jeder Schlickerla­ ge ein Ausbrennen von Bindern und ein Sinterschritt er­ folgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (2, 21, 32) durch Infiltration oder Aufbringen und Eindiffusion von Sintermaterial nach­ verdichtet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel und Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) den Schlickeransätzen teilweise aus metallischen Komponenten intermetallischer Verbindungen bestehen und der Sinter­ schritt bei Reaktionstemperaturen zur Ausbildung inter­ metallischer Verbindungen durchgeführt wird

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Dauer und Temperatur des Sinter­ schritts dem sinterfähigen Material der Vollpartikel und Hohlkugeln (24, 25, 26, 33) des Schlickergusses angepaßt sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1, 20) nach dem Sintern oder beim Sintern heißisostatisch gepreßt wird.