DEVELOPMENT OF AN AIRCRAFT ENGINE
COMBUSTION CHAMBER PART
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COMBUSTION CHAMBER PART
MANUFACTURED BY METAL INJECTION
MOLDING (MIM)
7th International EWI/TWI Seminar on Joining Aerospace MaterialsSeptember 17th-18th 2014
SCOPE
�Introduction
� Part presentation : Jet Engine Fuel Nozzle
� Project Objectives
�Project development
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� Definition
� Validation
�Conclusion
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Introduction
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Introduction
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Secondary flow
Primary flow
INTRODUCTION
JET ENGINE – AIR FLOW
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1. Intake 2. Compression 3. Combustion 4. Expansion 5. Ejection
INTRODUCTION
FUEL NOZZLE – PRINCIPLE & REQUIREMENTS
� Tmax ~900°C
� Design requirements:
� Creep
� High T° oxydation
� Permeability
INTRODUCTION
FUEL NOZZLE – BASELINE
� Material : Hastelloy-X
� UTS (20°C) > 440MPa
� YS (20°C) > 240MPa
� Standard process :
� Bar extrusion
� Machining : turning, milling / 4 sub-parts
� Brazing treatment
� Heat treatment (SHT@1110°C + Air cooling)
Ni Cr Fe Mo Co W C Mn Si B
47 22 18 9 1.5 0,6 0,1 <1 <1 <0.008
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� Heat treatment (SHT@1110°C + Air cooling)Swirlers
Intern bushing
Fuel nozzle guide
Cup
INTRODUCTION
PROJECT OBJECTIVES
� Replacing the current Fuel Nozzle solution by a Metal Injection Moulded part
foundry
Current solution New solution
Material Hastelloy-X / Extruded Hastelloy X / Powder Metallurgy
Process Machined + brazed MIM
Cost Baseline Lower
Properties Baseline Similar to material
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Properties Baseline Similar to foundry material
Geometry
INTRODUCTION
OVERVIEW ON THE MIM PROCESS
3-Debinding 4-Sintering1- Mixing
Metal powder + binder
2-Injection
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Feedstock Green part Brown part Sintered part
Project development
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Project development
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PROJECT DEVELOPMENT STAGES
�Definition
� Process design
� Part design
� Feedstock definition
� Moulds design
� Injection, debinding & sintering cycle definition
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� Injection, debinding & sintering cycle definition
� Post-sintering heat-treatment definition
�Validation
� Metallurgical validation
� Functional validation
� SPEC definition
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PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
PROCESS DESIGN
�Injection of 4 sub-parts
�Machining in the green state
� Sprue removal
� Holes drilling
�Sub-parts assembling Controls+
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�Sub-parts assembling
�Debinding
�Sintering
�Heat-treatment
�Final machining
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+Controls
PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
POWDER, BINDER, FEEDSTOCK
� Powder : Gas atomised ; D50 = 10µm ; D90 = 20µm
� Binder : Polyacetal base
� Feedstock : powder volume fraction ~55%
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PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
MOULDS DESIGN
� Mould joint
� Sprue, ejectors…
� Machining strategy
� Oversize factor : ~1,17
� Mould temperature regulationPost-injection machining
Mould joint
Sprue Ejectors
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Post-sintering
machining
PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
INJECTION & DEBINDING CYCLE DEFINITION
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� Catalytic debinding in HNO3 at 110°C
� Thermal debinding below 600°C
PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
SINTERING CYCLE
Sintering
temperature
DTA measurements
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Dilatometer measurements (typical) Sintering cycle (typical), Argon
PROJECT DEVELOPMENT – DEFINITION
POST-SINTERING HEAT-TREATMENT
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Spec Wrought material
Moulded material
Spec Moulded material
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
INJECTION TRIAL
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PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
METALLURGY – MICROSTRUCTURE & POROSITY
MoC, WC
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PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
METALLURGY – BOUNDARIES
Swirlers
Intern
bushing
Fuel nozzle
guide
Cup
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Former joint
Radius
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
METALLURGY – NDT
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� FPI
� X-Ray control
� X-Ray
tomography
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
METALLURGY – CHEMISTRY
800
1000
1200
1400
1600
1800
� Spec : 500 – 2000ppm
� No carbon trapped
during sintering
� Slight decarburizing
Ni Cr Fe Mo Co W C Mn Si B
47 22 18 9 1.5 0,6 0,1 <1 <1 <0.008
Thermal debinding
+ sintering
Solvant
debinding
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0
200
400
600
800
Specimen
� Spec : 500 – 2000ppm
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
METALLURGY – PROPERTIES
HT + Machining
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HT + Machining
Creep tests
Tensile tests0,1
1,0
10,0
0,1 1,0 10,0 100,0 1 000,0
Time (h)
1 2 3 4
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
FUNCTIONAL VALIDATION – GEOMETRY
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� High dimensional stability
� Some non-conforming
measurements, requiring post-
sintering partial machining
� Process optimization allowed
reducing non conforming results
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
FUNCTIONAL VALIDATION – PERMEABILITY
� Process capability :
� Cp = 1,55
� Cpk = 1,24
� Definition :
� Permeability is a measure of the ability of a material/part to allow fluids to pass through
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90%
95%
100%
105%
Part serial number
MIM Batch 4
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
FUNCTIONAL VALIDATION – ENGINE TEST BENCH
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BrazedBrazed
PROJECT DEVELOPMENT – VALIDATION
SPEC DEFINITION
�Specifications :
� Powder
� Feedstock
� Part
�Requirements :
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�Requirements :
� Cut-ups
� Microstructure
� Porosity
� Mechanical properties
� Chemistry
� NDT
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Conclusion
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Conclusion
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CONCLUSION
� MIM is able to manufacture cost effective, complex
parts requiring a high standard of quality :
� High dimensional stability / permeability
� Very good metallurgical quality : low porosity rate, low
defect rate, no chemical segregation
� Good mechanical properties : ~intermediate between
foundry and forged products, very strong joints
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� The MIMed fuel nozzle has been successfully
validated as alternative technology for one of our
engine under development
� This took 3 years, including process setting and
validation, as well as design office discussions and
supply-chain upgrading.
THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
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THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
Contacts :
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