EP2343143A2 - Method for producing components from refractory metals - Google Patents
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-
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Definitions
- the oxidation protection layer may be alloyed with one or more metals from the group of molybdenum, niobium, tantalum and hafnium in a certain weight percent and z. B. be applied by plasma spraying.
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Fertigung von Bauteilen aus Refraktärmetallen, wobei der stoffschlüssige Übergang zur Herausbildung der Bauteile durch Schmelzen hergestellt ist.The invention is based on a method for the production of components made of refractory metals, wherein the cohesive transition to the formation of the components is made by melting.
Es sind verschiedene Wege zur Fertigung von Bauteilen mit besonderen Eigenschaften für anspruchsvolle mechanische, thermische, elektrische, strahlenlenkende und -absorbierende sowie chemisch-korrosive Anwendungen bekannt.Various ways of fabricating components with particular properties for demanding mechanical, thermal, electrical, radiation directing and absorbing, and chemical-corrosive applications are known.
Ausgehend von einem Halbzeug werden die notwendigen Bauteile durch trennende, beispielsweise spanabhebende oder elektroerodierende Verfahren mit der gewünschten Endkontur und. Oberflächenqualität erzeugt. Dieser Weg wird von allen bekannten Verfahren beschritten.Starting from a semi-finished product, the necessary components by separating, for example, machining or electro-eroding process with the desired final contour and. Surface quality produced. This route is followed by all known methods.
Pulvermetallurgische Herstellung:
- Die durch Reduktion (an z. B. Wasserstoffatmosphäre) gewonnenen Pulver werden dotiert bzw. mit den gewünschten Legierungselementen versetzt und gemischt, um die gewünschten Legierungszusammensetzungen zu erreichen. Die Pulverbasis wird anschließend gesiebt, homogenisiert und durch diverse Pressverfahren in die gewünschten Ausgangsformen der Halbzeuge überführt. Anschließend werden die Presslinge gesintert und
- umgeformt. Evtl. schließt sich eine zusätzliche Wärmebehandlung an. Damit sind die Voraussetzungen für einfache Formgeometrien geschaffen, wie z. B. Drähte und Stangen sowie Bleche und
- Platten, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen.
- The powders obtained by reduction (to eg hydrogen atmosphere) are doped or with the desired Alloy elements added and mixed to achieve the desired alloy compositions. The powder base is then sieved, homogenized and transferred by various pressing processes in the desired starting shapes of the semi-finished products. Subsequently, the pellets are sintered and
- reshaped. Possibly. joins an additional heat treatment. This creates the conditions for simple shape geometries, such. As wires and rods and sheets and
- Plates that have the desired properties.
Schmelzmetallurgische Herstellung:
- Ausgehend vom Erschmelzen der refraktären Metallausgangsstoffe in beispielsweise Elektronenstrahlöfen und weiterführender Tröpfchenerstarrung in Kühlkokillen werden die so gewonnenen Blöcke anschließend geschmiedet und spanend bearbeitet, um anschließend durch Umformen und evtl. Wärmebehandlung die gewünschten Halbzeuge abzubilden.
- Starting from the melting of the refractory metal starting materials in, for example, electron beam furnaces and continuing droplet solidification in cooling molds, the blocks thus obtained are then forged and machined in order subsequently to form the desired semi-finished products by forming and possibly heat treatment.
So besteht auch ein umfangreicher Kenntnisstand zum thermischen Materialspritzen metallischer und keramischer Hochtemperaturschutzschichten auf verschiedenste Grundkörpermaterialien.Thus, there is also an extensive knowledge of the thermal spraying of metallic and ceramic high-temperature protective layers on various basic body materials.
Diese Lösungen beziehen sich insbesondere auf das Beschichten von Bauteilen und Halbzeugen. So beschreibt die
Die Oxidationsschutzschicht kann mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Molybdän, Niob, Tantal und Hafnium in einem bestimmten Gewichtsprozentanteil legiert sein und z. B. durch Plasmaspritzen aufgetragen werden.The oxidation protection layer may be alloyed with one or more metals from the group of molybdenum, niobium, tantalum and hafnium in a certain weight percent and z. B. be applied by plasma spraying.
Die
Das gleichfalls beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges aus Refraktärmetallen ist dadurch gekennzeichnet, dass die als Oxidationsschutzschicht und/oder eine Wärmedämmschicht wirkende Schutzschicht durch thermisches Spritzen auf dem Grundkörper aufgebracht wird.The likewise described method for producing a semifinished product from refractory metals is characterized in that the protective layer acting as oxidation protection layer and / or a thermal barrier coating is applied by thermal spraying on the base body.
Die Nachteile dieser bekannten Lösungen sind, dass zur Herausbildung einer Schutzschicht einem Halbzeug oder Grundkörper eine Oxidationsschicht aufgespritzt wird, jedoch der Grundkörper des Halbzeuges nicht aus Refraktärmetallen besteht.The disadvantages of these known solutions are that an oxidation layer is sprayed onto a semifinished product or base body to form a protective layer, but the main body of the semifinished product does not consist of refractory metals.
Ausgehend von den Erkenntnissen, dass vielstufige, energie- und kostenaufwendige Fertigungsprozesse, die bei geometrischkomplexen Bauteilen keine zufrieden stellende ökonomische und technische Basis liefern können und dennoch die so erzeugten Bauteile hohe Festigkeits- und Qualitätseigenschaften besitzen, sind häufig diese hohen Eigenschaften nicht erforderlich, sondern nur bestimmte, wie Korrosionsbeständigkeit, Biegebruchfestigkeit oder Kerbschlagzähigkeit.Based on the knowledge that multistage, energy and costly manufacturing processes that can not provide a satisfactory economic and technical basis for geometrically complex components and yet the components thus produced have high strength and quality properties, these high properties are often not required, but only certain, such as corrosion resistance, bending strength or notched impact strength.
Werkstoffe, wie Stahl, Titan und ihre Legierungen sowie CoCr, können mit dem Verfahren des generativen Elektronenstrahlschmelzens für verschiedene Zwecke, insbesondere der Medizin (Prothesen) und der Luftfahrt verarbeitet werden.Materials such as steel, titanium and their alloys, as well as CoCr, can be processed by the process of generative electron beam melting for various purposes, in particular in medicine (prostheses) and aviation.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Bauteile in ihrer Ganzheit aus Refraktärmetallen herzustellen und gleichfalls ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Refraktärmetallen anzugeben.It is therefore an object of the present invention to produce components in their entirety from refractory metals and also it is an object of the invention to provide a method for producing components of refractory metals.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved with the features of
Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind Gegenstände der Unteransprüche.Particular embodiments and advantageous solutions are subject matters of the subclaims.
So besteht ein nach der Erfindung hergestelltes Bauteil aus pulverförmigen Refraktärmetallen, die durch Elektronenstrahlschmelzen untereinander verbunden werden und so Bauteile oder auch Halbzeuge in ihrer Gesamtheit aus einem pulverförmigen Refraktärmetall herausgebildet werden.Thus, a component produced according to the invention consists of pulverulent refractory metals, which are connected to one another by electron beam melting and so components or semifinished products are formed in their entirety from a powdered refractory metal.
Die Herstellung eines derartigen Bauteiles erfolgt unter Vakuum, so in einer doppelwandigen Vakuumkammer durch punktweises Schmelzen der pulverförmigen Refraktärmetalle. Eine hochfrequente digitale Ablenktechnik gibt die Gewähr zur Herausbildung qualitativer Bauteile.The production of such a component takes place under vacuum, so in a double-walled vacuum chamber by point melting of the powdered refractory metals. A high-frequency digital deflection technique guarantees the formation of qualitative components.
Ausschließlich das Elektronenatrahlschmelzen eignet sich, aufgrund der hohen Energiedichte und flexiblen Steuerbarkeit zur Erschmelzung von Bauteilen aus Molybdän, Tantal, Rhenium und Wolfram sowie deren Legierungen.Solely electron-beam melting is suitable for melting components of molybdenum, tantalum, rhenium and tungsten and their alloys, due to the high energy density and flexible controllability.
Im Gegensatz zum Laserstrahlschmelzen können wesentlich höhere Strahlablenkraten erreicht werden, um somit einen möglichst geringen Temperaturgradienten innerhalb der Arbeitskammer zu sichern. Dies führt zu homogenen Schmelzbildern und ermöglicht grundsätzlich die Verarbeitung von Refraktärmetallen.In contrast to laser beam melting, significantly higher beam deflection rates can be achieved in order to ensure the lowest possible temperature gradient within the working chamber. This leads to homogeneous melt patterns and basically allows the processing of refractory metals.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren des generativen Elektronenstrahlschmelzens für die Fertigung von Bauteilen aus den Werkstoffen, Mo, Ta, Re und W und ihren Legierungen werden folgende Vorteile erreicht:
- Die Bauteile werden in einem einzigen Arbeitsgang aus dem Pulver in die Endform oder in eine endformnahe Gestalt gebracht.
- The components are brought from the powder into the final shape or in a near-net shape in a single operation.
Es ist möglich, Hinterschneidungen und Hohlräume zu fertigen, die mit anderen trennenden Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand zu fertigen sind.It is possible to produce undercuts and cavities that are not or only with great effort to produce with other separating methods.
Es ist möglich, durch den Pulverauftrag unterschiedliche Materialzusammensetzungen innerhalb eines Bauteils und damit graduierte Eigenschaften zu erzeugen.It is possible to produce different material compositions within a component and thus graded properties by the powder application.
Es ist möglich, homogene "eingefrorene" Werkstoffzustände zu erzeugen.It is possible to produce homogeneous "frozen" material states.
Die Bauteile können mit einer beliebigen Struktur gefertigt werden, die ein Ausfüllen mit anderen Werkstoffen, z. B. ein Eingießen in andere Werkstoffe oder das Umgießen mit anderen Werkstoffen ermöglicht.The components can be manufactured with any structure that can be filled with other materials, eg. B. allows pouring into other materials or casting around with other materials.
Bereits hergestellte - auch verfahrensfremd erzeugte - Bauteile können mit Überzügen oder Beschichtungen auf ebenen und nichtebenen Strukturen versehen werden.Already produced components, which are also produced without external processing, can be provided with coatings or coatings on flat and non-planar structures.
Während der Generierung können unterschiedliche Eigenschaften durch eine in Echtzeit steuerbare, stochastische Punktbelichtungsstrategie innerhalb von definierten Arealen, ohne Verwendung eines weiteren Pulvers, hervorgerufen werden.During generation, different properties can be evoked by a real-time controllable stochastic point exposure strategy within defined areas without the use of another powder.
Während der Generierung können mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Pulvern und damit verschiedenen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.During the generation several components with different powders and thus different mechanical properties can be produced.
Im Anschluss an die Generierung erfolgt eine exakt steuerbare Abkühlung zum Erhalt oder zur Schaffung von definierbaren Werkstoffeigenschaften.Following the generation, a precisely controllable cooling takes place to maintain or to create definable material properties.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung des Prinzips des Elektronenstrahlschmelzens,
- Fig. 2
- das Auftreten von Schichtablösungen,
- Fig. 3
- das Erzeugen komplexer Bauteilgeometrien,
- Fig. 4
- das Prinzip der Mehrfachpulverzuführung,
- Fig. 5
- ein Bauteil mit graduierten Werkstoffeigenschaften,
- Fig. 6
- den gleichzeitigen Aufbau unabhängiger Bauteile,
- Fig. 7
- eine Beschichtung gekrümmter Geometrien,
- Fig. 8
- einen Schnitt durch die Wandung einer Fertigungskammer und
- Fig. 9
- eine Elektronenstrahlschweißung verschiedener generierter Bauteile.
- Fig. 1
- a schematic representation of the principle of electron beam melting,
- Fig. 2
- the occurrence of delamination,
- Fig. 3
- the creation of complex component geometries,
- Fig. 4
- the principle of multiple powder feed,
- Fig. 5
- a component with graduated material properties,
- Fig. 6
- the simultaneous construction of independent components,
- Fig. 7
- a coating of curved geometries,
- Fig. 8
- a section through the wall of a production chamber and
- Fig. 9
- an electron beam welding of different generated components.
Die Erschmelzung des Refraktämetallptglvers 2, 4 erfolgt dabei mittels einer in Echtzeit steuerbaren, stochastischen Punktbelichtungsstrategie, um eine gleichmäßige Schmelzstruktur, d. h. Schmelzbadenthalpie und -oberflächenspannung zu erreichen und ein thermisches Gleichgewicht zu sichern. Dadurch ist es auch möglich, die Ablösung bzw. Aufwölbung bereits aufgeschmolzener Refraktärmetallpulverschichten 5, wie sie in
Aufgrund des schichtweisen Aufbaus ist es möglich, komplexe Bauteilgeometrien zu erzeugen. Hierzu zeigt
Ebenfalls können mehrere Bauteile 15 mit unterschiedlichen Refraktännetallpulvem 16, 17 (
Aufgrund der punktweisen Belichtung, bei der die Pulververschmelzung mittels definierter Parametersätze erfolgt, wird eine hohe Endkonturnähe erreicht, wodurch homogene "eingefrorene" Werkstoff zustände erzeugt werden können.Due to the pointwise exposure, in which the powder fusion takes place by means of defined parameter sets, a high Endkontorenähe is achieved, whereby homogeneous "frozen" material states can be generated.
Wie aus
Die punktweise Belichtung basiert auf einer hochfrequenten digitalen Ablenkeinheit des Elektronenstrahls, welche ausschließlich die notwendige Strahlablenkgeschwindigkeit bereitstellen kann. Die einzelnen, mathematisch bestimmten Schmelzorte werden in einer nicht-linearen Abfolge abgearbeitet. Dadurch werden ein günstigeres thermisches Gleichgewicht und eine homogene Gefügeausbildung gegenüber anderen generativen Verfahren erreicht.The pointwise exposure is based on a high frequency digital deflection unit of the electron beam which can provide only the necessary beam deflection speed. The individual, mathematically determined melting points are processed in a non-linear sequence. This achieves a more favorable thermal equilibrium and a homogeneous microstructure formation compared to other generative methods.
Nach der Generierung der Bauteile 6, 12, 15 und 18 sind nur wenige Nachbearbeitungsprozesse, beispielsweise Trennverfahren, jedoch keine Wärmebehandlung zur Erreichung der gewünschten Werkstoffeigenschaften notwendig.After the generation of the
Das Erschmelzen erfolgt unter Vakuum, sodass keine Oxidationsneigung zu erwarten ist und keine anderen Schutzgase zur Minimierung von negativen Erscheinungen notwendig werden. Hierzu zeigt
- 11
- Elektronenstrahlelectron beam
- 22
- Refraktärmetallpulverrefractory metal
- 33
- Substratplattesubstrate plate
- 44
- Aufgetragene RefraktärmetallpulverschichtApplied refractory metal powder layer
- 55
- Aufgeschmolzene RefraktännetallpulverschichtMelted refractory powdered powder layer
- 66
- Bauteilcomponent
- 77
- Hinterschneidungundercut
- 88th
- Hohlraumcavity
- 99
- Molybdänpulvermolybdenum powder
- 1010
- Wolframpulvertungsten powder
- 1111
- Hohlwellehollow shaft
- 1212
- Bauteilcomponent
- 1313
- Molybdänschichtmolybdenum layer
- 1414
- Wolframschichttungsten layer
- 1515
- Bauteilcomponent
- 1616
- Refraktärmetallpulverrefractory metal
- 1717
- Refraktärmetallpulverrefractory metal
- 1818
- Bauteilcomponent
- 1919
- Partielle BeschichtungPartial coating
- 2020
- ArbeitskammerwandWorking chamber wall
- 2121
- Heiz- und KühlmediumHeating and cooling medium
- 2222
- Bauteilcomponent
- 2323
- Elektronenstrahlschweißnahtelectron beam welding
- 2424
- Baugruppemodule
Claims (4)
dass pulverförmige Bestandteile (4, 9, 10, 16, 17) von Refraktärmetallen mittels Elektronenstrahlschmelzen punktweise aufgeschmolzen und die Bauteile (6, 12, 15, 18) in ihrer Endform oder in einer endformnahen Kontur herausgebildet werden.Process for the manufacture of components of refractory metals, characterized
that pulverulent constituents (4, 9, 10, 16, 17) of refractory metals are melted pointwise by means of electron beam melting, and the components (6, 12, 15, 18) are formed in their final shape or in a contour near the final shape.
dadurch gekennzeichnet,
dass das Elektronenstrahlschmelzen ein generatives Elektronenstrahlschmelzen ist, dieses für die Fertigung von Bauteilen (6, 12, 15, 18) aus den Werkstoffen Molybdän, Tantal, Rhenium und Wolfram und ihren Legierungen zur Anwendung kommt.Method according to claim 1,
characterized,
that the electron beam melting is a generative electron beam melting, this for the manufacture of components (6, 12, 15, 18) made of the materials molybdenum, tantalum, rhenium and tungsten and their alloys is used.
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schmelzen punktweise erfolgt und eine hochfrequente digitale Ablenktechnik für die Ausbildung von Bauteilen (6, 12, 15, 18) zum Einsatz kommt oder auf der Grundlage der digitalen Ablenktechnik diese Bauteilen (6, 12, 15, 18) hergestellt werden.Method according to claim 1 or 2,
characterized,
that melting point by point takes place and a high-frequency digital deflection technique for the formation of components (6, 12, 15, 18) for use is, or on the basis of the digital deflection technique these components (6, 12, 15, 18) are prepared.
dadurch gekennzeichnet,
dass die Herstellung dieser Bauteile (6, 12, 15, 18) in einer doppelwandigen Vakuumkammer erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3,
characterized,
that the production of these components (6, 12, 15, 18) takes place in a double-walled vacuum chamber.
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