Entwicklung von SiO2-basierten Gusskernmaterialien für die Additive Fertigung via LCM

Abstract

Turbinenschaufeln welche in Gasturbinen in der Luft-/Raumfahrt und Stromerzeugung eingesetzt werden benötigen aufgrund der hohen Betriebstemperaturen komplexe interne Kühlkanäle. Diese Kanäle werden durch den Einsatz von keramischen Gusskernen beim Feingießen verwirklicht. Dabei werden die die keramischen Kerne im Pulverspritzguss als positive Form des Kanalsystems gefertigt und nach dem Erstarren der Turbinenschaufel chemisch ausgelöst. Dieses Verfahren ist zeitintensiv und unwirtschaftlich durch die aufwendige Fertigung von Werkzeugen. Die additive Fertigung dieser Kerne hat großes Potenzial für Kleinserien und Prototypen. Materialien zur additiven Fertigung von komplexen Gusskernen für Turbinenschaufeln mit dem LCM Verfahren wurden entwickelt. Pulver verschiedener mineralogischer Zusammensetzung und unterschiedlicher Korngrößenverteilungen wurden verwendet. Die Hauptkomponenten der Pulver sind Quarzglas und Zirkon, die Korngrößen liegen zwischen 0.2 und 98 μm. Prüfgeometrien und in weiterer Folge Gusskerngeometrien konnten mit dem LCM Verfahren hergestellt und entsprechend gesintert werden. Quantitative XRD Messungen, 3-Punkt-Biegeversuche, Quecksilberporosimetrie, Dilatationsmessungen bis 1550°; und Messungen der Oberflächenrauheit wurden an den gesinterten Proben durchgeführt. Die gemessenen Werte der Dilatation, Porosität, Oberflächenrauheit und Festigkeit liegen für einige Zusammensetzungen im Bereich, welcher ein Einsetzen als Gusskernmaterial ermöglicht. Erfolgreiche Gussversuche mit einer Nickelbasislegierung (Inconel 625) und einer Stahllegierung (1.4848), durchgeführt von der AC-Tech GmbH, mit selbst konstruierten Gusskerngeometrien, belegen die Anwendbarkeit der additiv gefertigten Gusskerne aus den entwickelten Materialien.

Turbine blades are an essential part of gas engine turbines for aviation, astronautics and energy plants. The high operating temperatures demand highly complex cooling passages for these turbine blades. Ceramic cores are needed to produce the internal cooling cavities in investment casting. The cores are produced as the positive form of the internal cooling passages by ceramic injection moulding (CIM). CIM is a costly, time consuming process, due to the manufacturing of complex moulds. Therefore additive manufacturing has a distinct potential to replace this process for small scale series, prototypes and to realize more complex parts. Materials for additive manufacturing of complex casting cores via the LCM-process were developed. Powders of varying mineralogical composition as well as differing particle size distribution were used. Main components of the powders are fused silica and zircon with a particle size range between 0.2 and 98 μm. Test bars and in further consequence casting core geometries of these powders could be manufactured by LCM process and appropriately sintered. Quantitative powder XRD measurements, 3-point bending tests, mercury porosimetry, dilatation measurements up to 1550 °C and surface roughness measurements were executed on the sintered samples. The measured values of the dilatation, porosity, surface roughness and the strength lie in an area which makes them applicable as casting core materials. Successful casting of a nickel base alloy (Inconel 625) and a steel alloy (1.4848) of self-designed core geometries conducted by the AC-Tech GmbH prove the applicability of additive manufactured casting cores made from the newly developed materials.