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EP3414034A1 - Vorbehandlung, verfahren zur additiven herstellung eines bauteils und vorrichtung - Google Patents

Vorbehandlung, verfahren zur additiven herstellung eines bauteils und vorrichtung

Info

Publication number
EP3414034A1
EP3414034A1 EP17724516.4A EP17724516A EP3414034A1 EP 3414034 A1 EP3414034 A1 EP 3414034A1 EP 17724516 A EP17724516 A EP 17724516A EP 3414034 A1 EP3414034 A1 EP 3414034A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base material
temperature
component
pretreatment
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17724516.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunhuber
Axel Papperitz
Steffen Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3414034A1 publication Critical patent/EP3414034A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/14—Treatment of metallic powder
    • B22F1/142—Thermal or thermo-mechanical treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/20—Cooling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/703—Cooling arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/15—Nickel or cobalt
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
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    • B23K2103/18—Dissimilar materials
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for Additi ⁇ ven production of a component or a pretreatment for the process and a correspondingly manufactured component. Further, a device which is designed for operation of the method described, as well as a plant for ⁇ collectively the apparatus.
  • the device is preferably provided for use in a Strö ⁇ mung machine, preferably a gas turbine.
  • the component is preferably made of a superalloy, in particular ⁇ special a nickel or cobalt-based superalloy, or is produced accordingly.
  • the superalloy may be precipitation hardened or precipitation hardenable.
  • the component can furthermore consist of or comprise a tinder and / or high-temperature-resistant alloy.
  • the component is for use in a hot gas ⁇ path of a turbomachine, such as a gas turbine, vorgese ⁇ hen.
  • a turbomachine such as a gas turbine, vorgese ⁇ hen.
  • Additive or generative manufacturing processes include, for example, beam melting and / or beam welding processes.
  • the melt-blasting processes include, in particular, selective laser melting (SLM) or electron beam melting (EBM)
  • SLM selective laser melting
  • EBM electron beam melting
  • LMD laser deposition welding
  • Additive fabrication methods have proved to be particularly advantageous designed for complex or complicated or delicate components, for example labyrinth-like structures, cooling ⁇ structures and / or lightweight structures.
  • powdered base material for the additive preparation before the actual structure is preheated to moderate temperatures of for example 100 ° C.
  • these process steps serve rather to dry the base material, which may be, for example, hygroscopic and / or to increase the efficiency of the entire production process, since a welding or melting process can be carried out more quickly with already preheated powder.
  • the material properties sheep ⁇ th which result for additive components produced, for example, can be improved by a reduction in the susceptibility to hot cracking by the introduced agent.
  • One aspect of this invention relates to a method for additively manufacturing a component from a pulverför--shaped base material comprising the thermal pre-treatment of the base material at a first temperature, crizspielswei ⁇ se of at least 800 ° C, conveniently under an
  • Protective gas atmosphere wherein the first temperature and a duration of the pretreatment are further selected such that there is no, in particular significant or significant sintering process of the base material. Preferably al ⁇ remains so doing get the powder form of the base material.
  • the first temperature is at least 800 ° C.
  • the first temperature is at least 900 ° C. In one embodiment, the first temperature is at least 1000 ° C.
  • the first temperature is at least 1100 ° C.
  • the first temperature is 1204 ° C.
  • the method further comprises the subsequent cooling of the base material, starting from the first temperature and the additive construction of the component from the thermally pretreated base material, preferably in a corresponding device.
  • intermetallic and / or intergranular may be a heating temperature and time and selected duration so with advantage insbeson ⁇ particular, boron or borides (for example, M5B3 borides), carbon compounds or Karbi- de and / or other ingredients which are required in various Ma ⁇ terialsystemen, remain distributed throughout the each grain and not amplified form at the grain boundaries, but during the pretreatment of the grain boundaries can diffuse away instead of or.
  • the segregation of the abovementioned borides / carbides at the grain boundaries is a significant driver for the formation of hot cracks during welding or melting of high-performance materials by means of additive manufacturing.
  • the present invention particularly relates to the Vorbe ⁇ treatment of pulverulent and / or granular base material, especially in comparison to a pre-treatment of solids, which is, for example, in the prior art Toggle interpreted, there are the problems that after the Ermér ⁇ mung always a sufficient cooling and or control of the corresponding diffusion processes must be carried out, in particular by the constant presence of air trapped between the powder particles.
  • the cracks mentioned after the thermal pretreatment and / or after the additive structuri- be treated by hot isostatic pressing and vorzugswei ⁇ se at least partially closed.
  • the thermal pretreatment DER art is carried out such that a diffusion length, in particular egg ⁇ ne average diffusion length of ingredients, in particular of boron and / or carbon compounds or agents of ⁇ - and / or ⁇ '-phase of a superalloy, of the Base material having the first temperature is greater than a mean grain size, for example, a grain diameter or a Kornradi ⁇ us, of powder particles of the base material, preferably averaged over all powder particles of the base material.
  • a mean grain size for example, a grain diameter or a Kornradi ⁇ us
  • the constituents mentioned can be made possible for the constituents mentioned to be able to diffuse away from grain boundaries, thus preventing in particular segregation of the borides, carbides and / or the ⁇ and / or ⁇ 'formers. This in turn can prevent the formation of hot cracks or other structural defects, for example during operation or during the additive construction of the corresponding component.
  • the thermal pretreatment is carried out in such a way or the first temperature and / or the duration of the pretreatment selected such that a precipitation or segregation of, in particular intergranular, borides and / or carbides is minimized.
  • the said relation between the diffusion length and the mean grain size can furthermore be caused by the fact that the temperature and / or the duration of the pretreatment are selected accordingly.
  • the diffusion length is preferably a thermal average diffusion length of the corresponding constituents.
  • the thermal pretreatment is carried out in such a way or the temperature and / or the duration of the pretreatment chosen such that a, in particular significant segregation in particular of boron or carbon compounds or formers of a ⁇ and / or ⁇ 'phase of Superalloy, is prevented at grain boundaries of powder particles of the base material.
  • the first temperature is selected such that a so-called solvus temperature for the ⁇ and / or ⁇ 'phase of the base material is exceeded.
  • the cooling is carried out such that the base material with a temperature gradient of at least 150 k / min, preferably 200 K / min, for example ⁇ cools to room temperature.
  • the base material may, for example, be cooled to a temperature above or below room temperature. The rapid cooling may be necessary, in particular, to generate a driving force for a so-called athermal phase transformation.
  • the cooling must be fast enough he ⁇ follow to prevent (further) diffusion processes in the base material so that, ten to conservation by the pretreatment produced composition or distribution of the base material, for example, the additive structure of the component.
  • the base material may are thereby cooled fast enough to prevent ⁇ and the state "freeze", established by the previous temperature level (first temperature) was controlled, for example, undesirable precipitations to ver.
  • the temperature gradient during the cooling of the base material between 100 and 300 K / min ,
  • the duration of the thermal pretreatment is at least two hours. This period may be sufficient and in particular, to stimulate or the above-mentioned diffusion ⁇ operations of said components, preferably in each or a plurality of grains of each powder particle complete. In one embodiment, the duration of the thermal pre-treatment is between one and five hours, for example two or four hours.
  • the thermal pretreatment comprises maintaining the base material at the first temperature for at least two hours.
  • the duration of the thermal pretreatment is at least four hours.
  • the duration may be understood as meaning the time span during which the first temperature and / or the second temperature (see below) are kept constant overall according to the described method.
  • the thermal pretreatment comprises a heating of the base material to a first temperature of at least 1000 ° C., preferably 1200 ° C., with a Tempe ⁇ raturegradienten of at least 5 K / min, preferably 10 K / min.
  • a moderate or slow warming expedient wherein the diffusi ⁇ onsvor Cyprus and / or a thermal equilibrium just ER- wishes are not - should be prevented - such as in the beschrie ⁇ surrounded cooling.
  • the thermal pretreatment comprises a heating of the base material to the first temperature with a temperature gradient of well above 10 K / min.
  • such temperature gradients or far more applicable to powder material as the base material where ⁇ contrast 'heating rates "for heat treatment of" bulk "- may be limited by a voltage or risk of cracking material (not powdered" volume material ").
  • the temperature gradient when warming up the base material is between one and 20 K / min.
  • the thermal pretreatment preferably after heating or warming to the first temperature, comprises cooling or partial cooling to a second temperature or "intermediate" temperature, in particular to a temperature between 1100 ° C. and 1200 ° C. with a temperature gradient of at least 150, preferably 200
  • the second temperature or "intermediate" temperature refers to a temperature below said solvus temperature, preferably just or just a few ° C, such as 10 or 20 ° C below the corresponding solvus temperature.
  • the second temperature is between 800 and 1200 ° C.
  • the second temperature is 1120 ° C.
  • the thermal pretreatment comprises maintaining the base material at the second temperature for at least two hours.
  • Such a design may be the special ⁇ necessary or advantageous to adjust moderate hardening of the base material, but - produced no segregation at the grain boundaries - as described above.
  • the thermal pretreatment is carried out in such a way or the temperature (s), ie preferably the first temperature, the second temperature and / or the duration of the pretreatment chosen such that the base material during the cooling of the same after the thermal Vorbe ⁇ treatment a martensitic, diffusionless and / or
  • the thermal pretreatment is carried out in a device different from a conventional system for additive construction or additive manufacturing.
  • the base material during the thermal pretreatment is homogeneously heated to diffusion processes also homogeneously distributed, for example across the entire Pul ⁇ vervolumen of the base material to run.
  • the base material is during
  • a particularly homogeneous negative temperature change may be necessary is because inhomogeneities in the temperature change (for example, distributed over the volume of a grain or the whole particle), ie beispielswei ⁇ se large changes in temperature at the edge of a powder container can prevent diffusion processes.
  • the base material is a base material for a, in particular boron-containing, nickel- or kobaltba ⁇ - oriented, superalloy.
  • Another aspect of the present invention relates to a component which is prepared according to the method of any ofcuitge ⁇ claims or can be produced, further comprising a particle size distribution with a mean grain size of less than 200 ym, preferably less than 100 ym.
  • Wei ⁇ terhin may comprise the component is a component produced compared to conventionally additive with respect to its creep resistance and / or susceptibility to hot cracking improved microstructure.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for preparing or pretreating the powdery base material for additive production, comprising the thermal pretreatment or thermal pretreatment of the base material as described above, and the described cooling of the base material, which adheres to the thermi ⁇ cal pretreatment followed.
  • Another aspect of the present invention relates to an apparatus for the production of the component additive umfas ⁇ sending a heating device, for example a induc- ONS or radiant heating, and a cooling device, wherein the device is configured or designed for operation of the process.
  • the heating as well as the cooling device can be configured such that the base material can be heated particularly high, but in particular can be cooled homogeneously.
  • a container for the pulverulent base material may likewise be correspondingly formed, for example round or spherical or shaped differently, in order to allow a temperature gradient distributed as uniformly as possible or a uniform cooling, for example over the entire powder to be treated.
  • the cooling device can for example be based on dry ice or liquid nitrogen in order to allow the described large temperature gradients on cooling.
  • a further aspect of the present invention relates to an apparatus for the additive production of the component, comprising the apparatus, wherein the apparatus is a Laser Kirsch Trop- device or a device for powder bed-based additive building or manufacturing of the component, in particular for selective laser melting.
  • Embodiments, features and / or advantages relating in the present case to the described methods can also relate to the device, the installation and / or the component or vice versa.
  • Figure 1 shows a schematic flow diagram of process steps of the present invention.
  • Figure 2 indicates schematically and simplified a Materialzu ⁇ composition of ingredients of a base material for additive manufacturing.
  • FIG. 3 shows an exemplary, simplified temperature profile of a thermal pretreatment according to the method described.
  • Figure 4 shows a schematic sectional view of an OF INVENTION ⁇ to the invention apparatus for additive manufacturing.
  • Figure 5 shows a schematic view of a erfindungsge ⁇ MAESSEN system for additive production.
  • Figure 1 indicates the method steps of the method vorlie ⁇ constricting invention.
  • the method ⁇ step VI denotes the thermal pretreatment of a powdery base material 1 (see Figures 3 and 4 below) for the additive production of a component 10 (see Figure 5).
  • the indicated thermal pretreatment comprises fiction, ⁇ according heating the base material to a first temperature ⁇ ture of at least 800 ° C, preferably at least 900 ° C, more preferably 1000 ° C or more.
  • the first temperature may for example be 1200 ° C or more, in particular 1204 ° C (see Figure 2).
  • the ses in particular during the thermal pretreatment, the ses preferably under a protective gas atmosphere, for example ⁇ example comprising nitrogen, but preferably, carried out with argon as protective gas.
  • the thermal pre-treatment is particularly provided to cause diffusion processes in the individual powder particles of the Basisma ⁇ terials, in particular in the individual grains of the powder particles of the base material, which lead to an improved phase or material composition of the base material or of the component finally produced.
  • the component has finished manufactured with pre ⁇ part a particle size distribution with a mean grain size of less than 200 ym, preferably less than 100 ym sawn Sonders Favor less than 50 ym or less.
  • the component ready prepared preferably exhibits a significantly reduced tendency to hot cracks or alterations ⁇ ren structure defects such as creep deformation.
  • substantially fewer and / or shorter cracks occur, for example cracks having a length of less than 100 ⁇ m, which can be at least partially efficiently closed again by means of hot isostatic pressing according to the invention.
  • another microstructure sets in, in particular a coarser grain size, which advantageously results in a higher creep resistance of the material.
  • the first temperature and / or duration of the thermal pretreatment are furthermore chosen such that there is no significant sintering or sintering of the base material, that is to say that the base material after the thermal pretreatment is preferably still in powder form with the same powder or powder Particle fraction as before the thermal pretreatment.
  • the process step V2 preferably describes Invention ⁇ accordance with a subsequent (ie, after the thermal pretreated your) cooling the base material from the first temperature.
  • the cooling V2 is described in detail and by way of example in FIG.
  • the method step V3 designates the additive construction or production of the component from the thermally pretreated base material, preferably in a corresponding device or installation (compare reference numbers 100, 200 in FIGS. 4 and 5).
  • Figure 2 schematically shows a simplified section through a single crystal grain or a powder the particles of Basisma ⁇ terials 1. Due to the uniform puncturing of an internal ⁇ space of the grain 1 in figure 2 is intended to be for example indicated that the material or metal particle already Invention ⁇ according was thermally pretreated and therefore has a homogeneous material composition. In other words, there are no significant segregations or concentration gradients of individual components, for example alloying elements of the base material.
  • the circular dashed line SG implies especially simplifies a possible position of a boundary of Seige ⁇ approximations, such as boron or carbon compounds, to which stanchions in conventional powder material for superalloys are present or powder particles, which were thermally treated not according to the present invention .
  • the said segregations may also relate to other constituents, for example impurities of base material 1. Furthermore, such a segregation may relate to the distribution of constituents which form a ⁇ and / or ⁇ 'phase for the superalloy.
  • the preheating temperature and duration will be selected by the method according to the invention such that constituents in the metal of the base material, preferably in each particle thereof, on the one hand can diffuse, but on the other hand still no sintering or solidification the metal powder comes.
  • the Vorholictempe ⁇ temperature and time should be selected so that intermetallic or intergranular boron or carbon compounds such as borides, such as M5B3 borides ( "M” may be a metallic element denote ”) or carbides do not significantly or excessively at the grain boundaries form or diffuse away from the grain boundaries.
  • the segregation of borides or carbides at the grain boundaries is a significant driver for the formation of hot cracks during welding or melting of the base material 1.
  • the thermal pretreatment may be carried out in such a way and / or are selected such that a diffusion ⁇ length of ingredients, especially of boron or carbon compounds or agents of a ⁇ -phase of a Superle- yaw, the base material 1 is larger at the first temperature as a medium Grain size of powder particles of the base material 1.
  • the thermal pretreatment may be such Runaway ⁇ resulting in that the base material during cooling undergoes a martensitic diffusionless and / or non-thermal environmental change.
  • FIG. 3 shows a schematic exemplary temperature profile of the thermal pre-treatment according to the invention:
  • a relatively slow warming up of the base material as indicated (in Figure 4 compare reference numeral 100) to a first temperature Tl before ⁇ preferably in an appropriate device.
  • the first temperature Tl is preferably at least 800 ° C or more, as described above.
  • the first temperature Tl 1204 ° C.
  • the origin of the coordinate system does not necessarily have to describe a zero point here.
  • the temperature gradient or the increase in the shown Tempe ⁇ ratur- "ramp" of heating is, for example, 10 K / min.
  • the base material for example, slower or slightly faster to the first temperature, for example, with a temperature gradient 1-20 K / min or more.
  • the first temperature T 1 may denote a solvus temperature, in particular a ⁇ solvus temperature, above which, for example, the mentioned ⁇ -formers may dissolve and / or diffuse in the base material.
  • Furthermore then may comprise a relatively rapid cooling to a second temperature T2 ⁇ structure or intermediate temperature, the inventive pretreatment ⁇ lung.
  • the second temperature T2 is preferably lower by some 100 ° C. than the first temperature T1.
  • the cooling can be carried out such that the base material 1 is carried out with a temperature gradient of, for example, 200 K / min. Said temperature gradient during cooling can however OF INVENTION ⁇ dung invention include, for example, values between 100 and 300 K / min.
  • the thermal pretreatment preferably comprises a further period of time or duration in which the base material of the base material is kept at the temperature.
  • the duration t1 can be the duration t2 or longer or shorter.
  • a further temperature change for example, comprise a further slight cooling to a temperature T3, wherein the temperature T3 may be, for example, also lower than the temperature Tl and the tempera ⁇ ture T2 ,
  • the method comprises cooling to an original temperature, for example room temperature.
  • the temperature gradient of this cooling process preferably corresponds to the temperature gradient which has been described above and describes the transition between the temperature T1 in the temperature T2.
  • the temperature gradient during cooling of the base material 1 is substantially greater than that during heating (see above).
  • the sub-cooling or cooling must be deep enough and fast enough to generate a necessary driving force for example for the athermal Phasenumwand ⁇ development and to significant diffusion processes currency rend the cooling phase to prevent.
  • the necessary Unterküh ⁇ lung and cooling rate are in particular considered highly dependent on the material or its alloy components and can vary over a wide range.
  • one skilled in the art of developing alloys for turbomachines will be able to choose the method of pre-treating the base material such that in a finished superalloy component, the be set above advantageous material compositions or phases.
  • the base material 1 preferably relates to an initial material for the additive production of a component made of a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • FIG. 4 shows a device 100 in a schematic sectional view.
  • the device 100 is preferably designed to operate the described method.
  • the Vorrich ⁇ tung 100 is preferably different from a convention ionel ⁇ len system or apparatus for additively manufacturing a component.
  • the device 100 For holding the base material 1, for example in the case of powder-bed-based additive manufacturing processes, the device 100 comprises a container 2.
  • the apparatus 100 further comprises, in particular, a heating device 4 for heating the base material 1 according to the described method.
  • a heating device 4 for heating the base material 1 according to the described method.
  • the base Mate ⁇ rial 1 is heated according to the invention particularly homogeneous to diffusi ⁇ onsreae also homogeneously, for example via the GESAM ⁇ te powder bed of the base material 1 distributed sen occur to the detriment.
  • the device 100 further comprises a cooling device 3, which is likewise preferably designed such that the base material 1 can be cooled particularly homogeneously and / or particularly effectively and rapidly.
  • a cooling device 3 which is likewise preferably designed such that the base material 1 can be cooled particularly homogeneously and / or particularly effectively and rapidly.
  • the base material through the cooling device 3 according to the above-described temperature gradient is cooled ⁇ NEN.
  • the cooling device 3 may comprise, for example, a gas cooling.
  • a cooled gas such as argon or nitrogen can be provided be.
  • a "cooling gas” may be the above-mentioned protective gas Hérange ⁇ subjected when the device 100 is integrated for example in a plant for the manufacture of additive (see below).
  • the cooling device 3 is preferably disposed within the Behei ⁇ limiting device. 4 Alternatively, however, the heating device 4 may be arranged within the cooling device 3.
  • the above-mentioned container may have other than the rectangular shape shown in ⁇ play, a ball shape for a particularly homogeneous Tempe ⁇ ratureingnagna by the thermodynamic equilibrium.
  • the system 200 includes the device 100.
  • the system 200 is further preferably a system for laser deposition welding ⁇ or powder bed based additive constructing the component 10, in particular for selective laser melting ⁇ , or a corresponding device.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes, in particular, any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil (10) aus einem pulverförmigen Basismaterial (1), umfassend das thermische Vorbehandeln des Basismaterials (1) bei einer ersten Temperatur (T1) von mindestens 800 °C unter einer Schutzgasatmosphäre, wobei die erste Temperatur (T1) und eine Dauer (t1, t2) der Vorbehandlung weiterhin derart gewählt sind, dass es zu keinem Sinter-Vorgang des Basismaterials kommt, das anschließende Abkühlen des Basismaterials (1) und das additives Aufbauen des Bauteils (10) aus dem thermisch vorbehandelten Basismaterial (1). Weiterhin ist eine entsprechende Vorrichtung für die additive Herstellung beschrieben.

Description

Beschreibung
Vorbehandlung, Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils und Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additi¬ ven Herstellung eines Bauteils bzw. eine Vorbehandlung für das Verfahren sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil. Weiterhin wird eine Vorrichtung, welche zum Betrieb des Ver- fahrens ausgebildet ist, beschrieben, sowie eine Anlage, um¬ fassend die Vorrichtung.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö¬ mungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbe¬ sondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, oder ist entsprechend herstellbar. Die Superlegierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein. Das Bauteil kann weiterhin aus einer zunder- und/oder hochwarm- festen Legierung bestehen oder diese umfassen.
Vorzugsweise ist das Bauteil zur Anwendung in einem Heißgas¬ pfad einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine, vorgese¬ hen .
Additive oder generative Herstellungsverfahren (englisch: „additive manufacturing" ) umfassen, beispielsweise Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren. Zu den Strahlschmelz-Verfahren gehören insbesondere das selektive Laser- schmelzen (SLM) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) . Zu den genannten Strahlschweißverfahren gehören beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen oder das Laserauftragschweißen (LMD) , insbesondere das Laserpulverauftragschweißen. Ein Verfahren zum additiven Aufbau von Bauteilen mittels selektiven Laserschmelzens ist beispielsweise aus EP 2 910 362 AI bekannt. Additive Fertigungsverfahren haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühl¬ strukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Bei metal- lischen Werkstoffen ergibt sich durch das sukzessive Aufschweißen bzw. Aufschmelzen einzelner Schichten ein Gefüge mit einer charakteristischen Mikrostruktur, die sich noch signifikant von einem vergleichbaren Gussbauteil unterschei¬ det. Insbesondere bei der Anwendung von nickel- oder kobalt- basierten Werkstoffen, wie Superlegierungen, die beispielsweise im Einsatz von Strömungsmaschinen unter höchsten thermischen und/oder mechanischen Belastungen arbeiten, bereitet die durch die additive Fertigung veränderte Mikrostruktur Probleme, da diese Struktur Heißrisse und/oder Spannungsrisse der entsprechend aufgebauten Werkstoffe provoziert oder an¬ fällig für diese ist.
In der Forschung beziehungsweise industriellen Entwicklung von additiven Fertigungsverfahren oder deren Anlagen- Technologie wird versucht, die Arbeitstemperaturen auf einem möglichst hohen Niveau zu halten, um ein schnelles Auskühlen der Metallschmelze zu verhindern und dadurch eine dem Guss ähnliche Mikrostruktur auszubilden. Diese Prozesse, insbesondere solche, welche Arbeitstemperaturen von über 1000 °C er- reichen, sind jedoch industriell noch nicht ausgereift und erfordern eine besonders aufwendige und teure Anlagentechnik.
Aus dem Stand der Technik, insbesondere bei der Erforschung der Superlegierung „Rene80", ist bekannt, dass eine bestimmte Temperaturbehandlung, beispielsweise auf Temperaturen von über 1000 °C für eine Dauer von zwei Stunden, eine Seigerung von Borverbindungen und so eine Rissbildung zumindest teilweise unterdrücken kann (vgl. „L.O.Osoba et al . , On prevent- ing HAZ cracking in laser welded DS Rene 80 superalloy; Mate- rial Science and Technology (2011)") .
Weiterhin ist im Stand der Technik bekannt, dass insbesondere pulverförmiges Basismaterial für die additive Herstellung vor dem eigentlichen Aufbau auf moderate Temperaturen von beispielsweise 100 °C vorgewärmt wird. Diese Verfahrensschritte dienen jedoch eher einer Trocknung des Basismaterials, welches beispielsweise hygroskopisch sein kann und/oder einer Effizienzsteigerung des gesamten Herstellungsprozesses, da - ein Schweiß- oder Schmelzvorgang bei bereits vorgewärmtem Pulver, schneller durchgeführt werden kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzu- geben, die auf Basis der Erkenntnisse des Standes der Technik die Materialeigenschaften von in Forschung und Entwicklung eingesetzter Basismaterialien für die additive Fertigung verbessern können. Insbesondere können die Materialeigenschaf¬ ten, welche für additiv hergestellte Bauteile resultieren, z.B. durch eine Verminderung der Heißrissanfälligkeit durch die vorgestellten Mittel verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge- genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils aus einem pulverför- migen Basismaterial, umfassend das thermische Vorbehandeln des Basismaterials bei einer ersten Temperatur, beispielswei¬ se von mindestens 800 °C, zweckmäßigerweise unter einer
Schutzgasatmosphäre, wobei die erste Temperatur und eine Dau¬ er der Vorbehandlung weiterhin derart gewählt sind, dass es zu keinem, insbesondere wesentlichen oder signifikanten Sin- ter-Vorgang des Basismaterials kommt. Vorzugsweise bleibt al¬ so dabei die Pulverform des Basismaterials erhalten.
In einer Ausgestaltung beträgt die erste Temperatur mindestens 800 °C.
In einer Ausgestaltung beträgt die erste Temperatur mindestens 900 °C. In einer Ausgestaltung beträgt die erste Temperatur mindestens 1000 °C.
In einer Ausgestaltung beträgt die erste Temperatur mindes- tens 1100 °C.
In einer Ausgestaltung beträgt die erste Temperatur 1204 °C.
Das Verfahren umfasst weiterhin das anschließende Abkühlen des Basismaterials, ausgehend von der ersten Temperatur und dem additiven Aufbauen des Bauteils aus dem thermisch vorbehandelten Basismaterial, vorzugsweise in einer entsprechenden Vorrichtung . Durch das beschriebene Verfahren kann mit Vorteil, insbeson¬ dere eine Beheizungstemperatur und -zeit bzw. -dauer so gewählt werden, dass sich, insbesondere intermetallische und/oder intergranulare Borverbindungen bzw. Boride (beispielsweise M5B3-Boride) , KohlenstoffVerbindungen bzw. Karbi- de und/oder weitere Bestandteile, welche in verschiedenen Ma¬ terialsystemen erforderlich sind, über das jeweilige Korn verteilt bleiben und sich nicht verstärkt an den Korngrenzen bilden, sondern stattdessen durch oder während der Vorbehandlung von den Korngrenzen weg diffundieren können. Neben der Seigerung der die γ- und/oder γ' -Phase bildenden Bestandteilen ist die Seigerung der genannten Boride/Karbide an den Korngrenzen ein wesentlicher Treiber zur Bildung von Heißrissen beim Schweißen oder Schmelzen von Hochleistungswerkstoffen mittels additiver Fertigung.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Vorbe¬ handlung von pulverförmigem und/oder granulärem Basismaterial, wobei insbesondere im Vergleich zu einer Vorbehandlung von Festkörpern, welche zum Beispiel im Stand der Technik an- gedeutet ist, die Probleme hinzukommen, dass nach der Erwär¬ mung stets eine ausreichende Kühlung und oder Kontrolle der entsprechenden Diffusionsvorgänge erfolgen muss, insbesondere durch die stete Präsenz von zwischen den Pulverpartikeln eingeschlossener Luft.
Insbesondere kann durch das vorgestellte Konzept gezeigt wer- den, dass durch das Verfahren in dem thermisch vorbehandelten Basismaterial und/oder im fertig hergestellten Bauteil - im Vergleich zu einem Verfahren ohne die erfindungsgemäße Vorbe¬ handlung - wesentlich kürze Risse, beispielsweise Risse mit einer Länge von weniger als 100 μιτι, auftreten, die beispiels- weise mittels heiß-isostatischen Pressens nachträglich wieder verschlossen werden können.
In einer Ausgestaltung werden die genannten Risse nach der thermischen Vorbehandlung und/oder nach dem additiven Aufbau- en durch heiß-isostatisches Pressen behandelt und vorzugswei¬ se zumindest teilweise verschlossen.
Weiterhin stellt sich mit Vorteil durch die Vorbehandlung ein anderes Mikrogefüge ein, insbesondere mit einer gröbere Kör- nung, was vorteilhafterweise eine verbesserte Kriechfestig¬ keit des Materials im Bauteil zur Folge hat.
Im Vergleich zu additiven Verfahren, bei welchen während des Aufbaus beispielsweise Temperaturen von über 800 °C oder mehr herrschen, stellt die „Vorwärmung" eine zusätzliche, wesent¬ lich kostengünstigere und/oder einfachere Art zur Vermeidung von Heißrissen dar.
In einer Ausgestaltung wird die thermische Vorbehandlung der- art durchgeführt, dass eine Diffusionslänge, insbesondere ei¬ ne mittlere Diffusionslänge, von Bestandteilen, insbesondere von Bor- und/oder KohlenstoffVerbindungen oder Bildnern einer γ- und/oder γ' -Phase einer Superlegierung, des Basismaterials mit der ersten Temperatur größer ist als eine mittlere Korn- große, beispielsweise ein Korndurchmesser oder ein Kornradi¬ us, von Pulverpartikeln des Basismaterials, vorzugsweise ge- mittelt über alle Pulverpartikel des Basismaterials. Diese Ausgestaltung ermöglicht mit Vorteil eine Diffusion der ge- nannten Bestandteile, vorzugsweise mindestens über das ent¬ sprechende Korn des jeweiligen Pulverpartikels hinweg, vor¬ zugsweise innerhalb des ganzen Partikels. Mit anderen Worten kann ermöglicht werden, dass die genannten Bestandteile von Korngrenzen weg diffundieren können und so insbesondere eine Seigerung der Boride, Karbide und/oder der γ- und/oder γ' - Bildner verhindert wird. Dadurch kann wiederum die Bildung von Heißrissen oder anderen Strukturfehlern, beispielsweise im Betrieb oder während des additiven Aufbaus des entspre- chenden Bauteils verhindert werden.
In einer Ausgestaltung wird die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt bzw. die erste Temperatur und/oder die Dauer der Vorbehandlung derart gewählt dass eine Ausscheidung oder Seigerung von, insbesondere intergranularen, Boriden und/oder Carbiden minimiert wird.
Die genannte Relation zwischen der Diffusionslänge und der mittleren Korngröße kann weiterhin dadurch hervorgerufen wer- den, dass die Temperatur und/oder die Dauer der Vorbehandlung entsprechend gewählt sind.
Bei der Diffusionslänge handelt es sich vorzugsweise um eine thermische mittlere Diffusionslänge der entsprechenden Be- standteile.
In einer Ausgestaltung wird die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt bzw. die Temperatur und/oder die Dauer der Vorbehandlung derart gewählt, dass eine, insbesondere signi- fikante Seigerung insbesondere von Bor- oder KohlenstoffVerbindungen oder Bildnern einer γ- und/oder γ' -Phase der Super- legierung, an Korngrenzen von Pulverpartikeln des Basismaterials verhindert wird.
In einer Ausgestaltung wird die erste Temperatur derart wählt, dass eine sogenannte Solvus-Temperatur für die γ- und/oder γ' -Phase des Basismaterials überschritten wird. In einer Ausgestaltung wird das Abkühlen derart durchgeführt, dass sich das Basismaterial mit einem Temperaturgradienten von mindestens 150 k/min, vorzugsweise 200 K/min, beispiels¬ weise auf Raumtemperatur abkühlt. Alternativ kann sich das Basismaterial im Rahmen der thermischen Vorbehandlung mit dem genannten Temperaturgradienten beispielsweise auf eine Temperatur über oder unter der Raumtemperatur abkühlen. Die rasche Abkühlung kann insbesondere notwendig sein, um eine Trieb¬ kraft für eine sogenannte athermische Phasenumwandlung zu er- zeugen. Insbesondere muss der Abkühlvorgang schnell genug er¬ folgen, um (weitere) Diffusionsvorgänge in dem Basismaterial zu verhindern und so, die durch die Vorbehandlung erzeugte Zusammensetzung oder Verteilung des Basismaterials, beispielsweise für den additiven Aufbau des Bauteils, zu erhal- ten. Das Basismaterial kann dadurch schnell genug abgekühlt werden, beispielsweise um unerwünschte Ausscheidungen zu ver¬ hindern und den Zustand „einzufrieren", der durch das vorherige Temperaturniveau (erste Temperatur) angesteuert wurde. In einer Ausgestaltung beträgt der Temperaturgradient beim Abkühlen des Basismaterials zwischen 100 und 300 K/min.
In einer Ausgestaltung beträgt die Dauer der thermischen Vorbehandlung mindestens zwei Stunden. Dieser Zeitraum kann ins- besondere hinreichend sein, um die oben genannten Diffusions¬ vorgänge der genannten Bestandteile, vorzugsweise in jedem oder einer Mehrzahl der Körner eines jeden Pulverpartikels anzuregen oder abzuschließen. In einer Ausgestaltung beträgt die Dauer der thermischen Vorbehandlung zwischen einer und fünf Stunden, beispielsweise zwei oder vier Stunden.
In einer Ausgestaltung umfasst die thermische Vorbehandlung ein Halten des Basismaterials auf der ersten Temperatur für mindestens zwei Stunden. In einer Ausgestaltung beträgt die Dauer der thermischen Vorbehandlung mindestens vier Stunden. Mit der genannten Dauer kann insbesondere die Zeitspanne gemeint sein, während der die erste Temperatur und/oder die zweite Temperatur (siehe unten) gemäß dem beschriebenen Verfahren insgesamt konstant gehalten wird.
In einer Ausgestaltung umfasst die thermische Vorbehandlung ein Aufwärmen des Basismaterials auf eine erste Temperatur von mindestens 1000 °C, vorzugsweise 1200°C, mit einem Tempe¬ raturgradienten von mindestens 5 K/min, vorzugsweise 10 K/min. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für ein moderates oder langsames Aufwärmen zweckmäßig, bei welchem die Diffusi¬ onsvorgänge und/oder ein thermisches Gleichgewicht gerade er- wünscht sind und nicht - wie beispielsweise bei dem beschrie¬ benen Abkühlen - verhindert werden sollen.
In einer Ausgestaltung umfasst die thermische Vorbehandlung ein aufwärmen des Basismaterials auf die ersten Temperatur mit einem Temperaturgradienten von deutlich über 10 K/min.
Insbesondere sind solche Temperaturgradienten oder noch weit größere bei Pulvermaterial als Basismaterial anwendbar, wo¬ hingegen „Heizraten" für eine Wärmebehandlung von „bulk"- Material (nicht pulverförmiges „Volumenmaterial") durch eine Spannung- oder Rissgefahr beschränkt sein kann.
In einer Ausgestaltung beträgt der Temperaturgradient beim Aufwärmen des Basismaterials zwischen einem und 20 K/min. In einer Ausgestaltung umfasst die thermische Vorbehandlung, vorzugsweise nach dem Erwärmen oder Aufwärmen auf die erste Temperatur, ein Abkühlen oder teilweises Abkühlen auf eine zweite Temperatur oder „Zwischen"-Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 1100 °C und 1200 °C mit einem Temperaturgradienten von mindestens 150, vorzugsweise 200
K/min. Der beschriebene Temperaturgradient kann, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform notwendig sein, um Diffusionsprozesse während des Abkühlens zu verhindern. In einer Ausgestaltung bezeichnet die zweite Temperatur oder „Zwischen"-Temperatur eine Temperatur unterhalb der genannten Solvus-Temperatur, vorzugsweise knapp oder nur wenige °C, wie beispielsweise 10 oder 20 °C unterhalb der entsprechenden Solvus-Temperatur .
In einer Ausgestaltung beträgt die zweite Temperatur zwischen 800 und 1200 °C.
In einer Ausgestaltung beträgt die zweite Temperatur 1120 °C.
In einer Ausgestaltung umfasst die thermische Vorbehandlung ein Halten des Basismaterials auf der zweiten Temperatur für mindestens zwei Stunden. Eine solche Ausgestaltung kann ins¬ besondere erforderlich oder vorteilhaft sein, um moderate Härten des Basismaterials einstellen, wobei jedoch - wie oben beschrieben - noch keine Seigerungen an den Korngrenzen entstehen .
In einer Ausgestaltung wird die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt bzw. die Temperatur (en) , d.h. vorzugsweise die erste Temperatur, die zweite Temperatur und/oder die Dauer der Vorbehandlung derart gewählt, dass das Basismaterial während des Abkühlens desselben nach der thermischen Vorbe¬ handlung eine martensitische, diffusionslose und/oder
athermische Umwandlung, insbesondere Phasenumwandlung, erfährt . In einer Ausgestaltung wird die thermische Vorbehandlung in einer von einer konventionellen Anlage für den additiven Aufbau oder die additive Herstellung verschiedenen Vorrichtung durchgeführt . In einer Ausgestaltung wird das Basismaterial während der thermischen Vorbehandlung homogen erwärmt, um Diffusionsprozesse ebenfalls homogen, beispielsweise über das gesamte Pul¬ vervolumen des Basismaterials verteilt, ablaufen zu lassen. In einer Ausgestaltung wird das Basismaterial während
und/oder nach der thermischen Vorbehandlung homogen abgekühlt. Eine besonders homogene negative Temperaturänderung kann deshalb erforderlich sein, da Inhomogenitäten in der Temperaturänderung (beispielsweise über das Volumen eines Korns oder des ganzen Partikels verteilt), d.h. beispielswei¬ se große Temperaturänderungen am Rande eines Pulverbehälters, Diffusionsprozesse verhindern können.
Für eine „Einstellung" der Materialphasen der einzelnen Körner des Basismaterials oder seiner Pulverpartikel ist es ins¬ besondere erforderlich oder vorteilhaft, wenn die genannten Diffusionsprozesse beispielsweise über ein Reservoir des Ba- sismaterials hinweg homogen erfolgt.
In einer Ausgestaltung ist das Basismaterial ein Basismaterial für eine, insbesondere borhaltige, nickel- oder kobaltba¬ sierte, Superlegierung .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, weiterhin umfassend eine Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 ym, vorzugsweise weniger als 100 ym. Wei¬ terhin kann das Bauteil eine gegenüber herkömmlich additiv hergestellten Bauteilen hinsichtlich seiner Kriechbeständigkeit und/oder Heißrissanfälligkeit verbesserte Mikrostruktur aufweisen .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung oder Vorbehandlung des pulverför- migen Basismaterials für die additive Herstellung, umfassend das thermische Vorbehandeln bzw. die thermische Vorbehandlung des Basismaterials wie oben beschrieben, sowie das beschrie¬ bene Abkühlen des Basismaterials, welches sich an die thermi¬ sche Vorbehandlung anschließt. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils umfas¬ send eine Beheizungseinrichtung, beispielsweise eine Indukti- ons- oder Strahlungsheizung, und eine Kühleinrichtung, wobei die Vorrichtung zum Betrieb des Verfahrens eingerichtet oder ausgebildet ist.
Insbesondere können die Beheizungs- sowie die Kühleinrichtung derart ausgebildet sein, dass das Basismaterial besonders ho- mögen erwärmt, insbesondere jedoch homogen abgekühlt werden kann. Ein Behältnis für das pulverförmige Basismaterial kann ebenfalls entsprechend ausgebildet sein, beispielsweise rund oder kugelförmig oder anders geformt, um einen möglichst gleich verteilten Temperaturgradienten oder eine gleichförmi- ge Abkühlung, beispielsweise über das gesamte zu behandelnde Pulver hinweg, zu ermöglichen.
Die Kühleinrichtung kann beispielsweise auf Trockeneis oder flüssigem Stickstoff basieren, um die beschriebenen großen Temperaturgradienten beim Abkühlen zu ermöglichen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zur additiven Herstellung des Bauteils, umfassend die Vorrichtung, wobei die Anlage eine Laserauftragschweiß- Vorrichtung oder eine Vorrichtung zum pulverbettbasierten additiven Aufbauen bzw. Herstellen des Bauteils ist, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie- gend auf die beschriebenen Verfahren beziehen, können ferner die Vorrichtung, die Anlage und/oder das Bauteil betreffen oder umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm von Verfahrensschritten der vorliegenden Erfindung. Figur 2 deutet schematisch und vereinfacht eine Materialzu¬ sammensetzung von Bestandteilen eines Basismaterials für die additive Herstellung an.
Figur 3 zeigt einen beispielhaften, vereinfachten Temperaturverlauf einer thermischen Vorbehandlung gemäß dem beschriebenen Verfahren. Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Herstellung.
Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsge¬ mäßen Anlage zur additiven Herstellung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein . Figur 1 deutet Verfahrensschritte des Verfahrens der vorlie¬ genden Erfindung an. Insbesondere bezeichnet der Verfahrens¬ schritt VI das thermische Vorbehandeln eines pulverförmigen Basismaterials 1 (vergleiche Figuren 3 und 4 unten) für die additive Herstellung eines Bauteils 10 (vergleiche Figur 5) . Die angedeutete thermische Vorbehandlung umfasst erfindungs¬ gemäß ein Erwärmen des Basismaterials auf eine erste Tempera¬ tur von mindestens 800 °C, vorzugsweise mindestens 900 °C, besonders bevorzugt 1000 °C oder mehr. Die erste Temperatur kann beispielsweise 1200 °C oder mehr, insbesondere 1204 °C betragen (vergleiche Figur 2) .
Um eine übermäßige Oxidation des Basismaterials, insbesondere während des thermischen Vorbehandeln zu vermeiden, wird die- ses vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre, beispiels¬ weise umfassend Stickstoff, vorzugsweise jedoch mit Argon als Schutzgas, durchgeführt. Die thermische Vorbehandlung ist insbesondere vorgesehen, um Diffusionsprozesse in einzelnen Pulverpartikeln des Basisma¬ terials, insbesondere in einzelnen Körner der Pulverpartikel des Basismaterials hervorzurufen, welche zu einer verbesserten Phasen- oder Materialzusammensetzung des Basismaterials bzw. des fertig hergestellten Bauteils, führen.
Insbesondere weist das fertig hergestellte Bauteil mit Vor¬ teil eine Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 ym auf, vorzugsweise weniger als 100 ym, be- sonders bevorzug weniger als 50 ym oder noch weniger.
Weiterhin zeigt das fertig hergestellte Bauteil vorzugsweise eine signifikant verminderte Neigung zu Heißrissen oder ande¬ ren Strukturdefekten, wie Kriechverformungen. Insbesondere entstehen wesentlich weniger und/oder kürzere Risse, beispielsweise Risse mit einer Länge von weniger als 100 ym, die mittels heiß-isostatisches Pressens erfindungsgemäß zumindest teilweise wieder effizient verschlossen werden können. Weiterhin stellt sich durch die thermische Vorbehandlung ein an- deres Mikrogefüge ein, insbesondere eine gröbere Körnung, was mit Vorteil eine höhere Kriechfestigkeit des Materials zur Folge hat.
Die erste Temperatur und/oder eine Dauer der thermischen Vor- behandlung sind weiterhin derart gewählt, dass es zu keinem signifikanten Sintern oder Ansintern des Basismaterials kommt, das heißt, dass das Basismaterial nach dem thermischen Vorbehandeln vorzugsweise noch in Pulverform mit der gleichen Pulver- bzw. Partikelfraktion wie vor der thermischen Vorbe- handlung vorliegt.
Der Verfahrensschritt V2 beschreibt vorzugsweise erfindungs¬ gemäß ein anschließendes (d.h. nach dem thermischen Vorbehan- dein) Abkühlen des Basismaterials ausgehend von der ersten Temperatur. Das Abkühlen V2 ist in Figur 2 detailliert und beispielhaft beschrieben. Der Verfahrensschritt V3 bezeichnet das additive Aufbauen oder Herstellen des Bauteils aus dem thermisch vorbehandelten Basismaterial, vorzugsweise in einer entsprechenden Vorrichtung oder Anlage (vergleiche Bezugszeichen 100, 200 in den Figuren 4 und 5) .
Figur 2 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch ein einkristallines Korn bzw. ein Pulverpartikel des Basisma¬ terials 1. Durch die gleichmäßige Punktierung eines Innen¬ raums des Korns 1 in Figur 2 soll beispielsweise angedeutet sein, dass das Material- oder Metallkorn bereits erfindungs¬ gemäß thermisch vorbehandelt wurde und demnach eine homogene Materialzusammensetzung aufweist. Mit anderen Worten sind keine signifikanten Seigerungen oder Konzentrationsgradienten von einzelnen Bestandteilen, beispielsweise Legierungselemen- ten des Basismaterials zu erkennen.
Die kreisförmige gestrichelte Linie SG deutet vereinfacht insbesondere eine mögliche Position einer Grenze von Seige¬ rungen, beispielsweise von Bor- oder KohlenstoffVerbindungen, an, welche in konventionellem Pulvermaterial für Superlegie- rungen vorhanden sind oder in Pulverpartikeln, welche nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung thermisch vorbehandelt wurden. Die genannten Seigerungen können sich auch auf andere Bestandteile, beispielsweise Verunreinigungen des Ba- sismaterials 1 beziehen. Weiterhin kann eine solche Seigerung die Verteilung von eine γ- und/oder γ' -Phase für die Superle- gierung bildenden Bestandteilen betreffen.
Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Vorwärmtemperatur und Dauer so gewählt werden, dass Bestandteile im Metall des Basismaterials, vorzugsweise in jedem Partikel desselben, einerseits diffundieren können, es jedoch andererseits noch zu keinem Sintervorgang oder Verfestigen des Metallpulvers kommt. Insbesondere soll die Vorheiztempe¬ ratur und Zeit so gewählt werden, dass sich intermetallische oder intergranulare Bor- bzw. KohlenstoffVerbindungen, wie Boride, beispielsweise M5B3-Boride („M" kann ein metallisches Element bezeichnen") oder Karbide nicht signifikant oder übermäßig an den Korngrenzen bilden bzw. von den Korngrenzen weg diffundieren können.
Neben der Seigerung der Bildner der γ-Phase ist die Seigerung von Boriden oder Karbiden an den Korngrenzen ein wesentlicher Treiber zur Bildung von Heißrissen beim Schweißen oder Aufschmelzen des Basismaterials 1.
Beispielsweise kann die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt und/oder gewählt werden, dass eine Diffusions¬ länge von Bestandteilen, insbesondere von Bor- oder KohlenstoffVerbindungen oder Bildnern einer γ-Phase einer Superle- gierung, des Basismaterials 1 bei der ersten Temperatur größer ist als eine mittlere Korngröße von Pulverpartikeln des Basismaterials 1.
Weiterhin kann die thermische Vorbehandlung derart durchge¬ führt werden, dass das Basismaterial während des Abkühlens eine martensitische, diffusionslose und/oder athermische Um- Wandlung erfährt.
Figur 3 zeigt einen schematischen beispielhaften Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen thermischen Vorbehandlung: Insbesondere ist ausgehend von dem Koordinatenursprung ein verhältnismäßig langsames Aufwärmen des Basismaterials, vor¬ zugsweise in einer entsprechenden Vorrichtung (vergleiche Bezugszeichen 100 in Figur 4) auf eine erste Temperatur Tl angedeutet. Die erste Temperatur Tl beträgt vorzugsweise min- destens 800 °C oder mehr, wie oben beschrieben. Beispielweise beträgt die erste Temperatur Tl = 1204 °C. Der Ursprung des Koordinatensystems muss vorliegend nicht notwendigerweise einen Nullpunkt beschreiben. Insbesondere berührte der Graph des in Figur 3 gezeigten Temperaturverlaufs für t=0 die y-Achse vorzugsweise bei Raumtemperatur oder einer Temperatur von beispielsweise 20 °C.
Der Temperaturgradient oder der Anstieg der gezeigten Tempe¬ ratur- „Rampe" des Erwärmens beträgt beispielsweise 10 K/min. Alternativ kann das Basismaterial beispielsweise langsamer oder auch etwas schneller auf die erste Temperatur erwärmt werden, beispielsweise mit einem Temperaturgradienten von 1 bis 20 K/min oder noch mehr.
Anschließend an eine Erwärmungsphase umfasst das thermische Vorbehandeln vorzugsweise ein Halten des Basismaterials auf der ersten Temperatur Tl für eine Dauer von beispielsweise zwei Stunden oder mehr (tl=2h) , vorzugsweise von mindestens 1 Stunde . Die erste Temperatur Tl kann eine Solvus-Temperatur, insbesondere eine γ-Solvustemperatur bezeichnen, oberhalb derer sich beispielsweise die genannten γ-Bildner lösen und/oder in dem Basismaterial diffundieren können. Weiterhin anschließend kann die erfindungsgemäße Vorbehand¬ lung ein relativ schnelles Abkühlen auf eine zweite Tempera¬ tur T2 oder Zwischen-Temperatur umfassen. Die zweite Temperatur T2 ist vorzugsweise um einige 100 °C geringer als die erste Temperatur Tl. Das Abkühlen kann derart durchgeführt werden, dass sich das Basismaterial 1 mit einem Temperaturgradienten von beispielsweise 200 K/min durchgeführt wird. Der genannte Temperaturgradient beim Abkühlen kann erfin¬ dungsgemäß jedoch beispielsweise Werte zwischen 100 und 300 K/min umfassen.
Anschließend an eine Erwärmungsphase umfasst das thermische Vorbehandeln vorzugsweise eine weitere Zeitspanne oder Dauer, in der das Basismaterial des Basismaterials auf der Tempera- tur T2 gehalten wird, vorzugsweise für eine Dauer von bei¬ spielsweise ebenfalls zwei Stunden oder mehr (t2=2h) . Die Dauer tl kann der Dauer t2 entsprechen oder länger oder kürzer sein.
Anders als in der Figur 3 dargestellt kann das Verfahren zur thermischen Vorbehandlung eine weitere Temperaturänderung, beispielsweise mit einem weiteren leichten Abkühlen auf eine Temperatur T3 umfassen, wobei die Temperatur T3 beispielswei- se ebenfalls niedriger als die Temperatur Tl und die Tempera¬ tur T2 sein kann.
In Figur 3 ist weiterhin gezeigt, dass das Verfahren, nachdem das Basismaterial 1 für eine Dauer von beispielsweise t2 gleich zwei Stunden auf der Temperatur T2 gehalten wurde, ein Abkühlen auf eine Ursprungstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, umfasst.
Der Temperaturgradient dieses Abkühlvorgangs entspricht vor- zugsweise dem Temperaturgradienten, welcher oben beschrieben wurde und den Übergang zwischen der Temperatur Tl in der Temperatur T2 beschreibt.
Insbesondere ist der Temperaturgradient beim Abkühlen des Ba- sismaterials 1 wesentlich größer als derjenige beim Erwärmen (vergleiche oben) . Insbesondere muss die Unterkühlung oder Abkühlung tief und schnell genug sein, um eine notwendige Triebkraft beispielsweise für die athermische Phasenumwand¬ lung zu erzeugen und, um maßgebliche Diffusionsvorgänge wäh- rend der Abkühlphase zu verhindern. Die notwendige Unterküh¬ lung und Abkühlgeschwindigkeit sind insbesondere stark vom betrachteten Material bzw. dessen Legierungsbestandteilen abhängig und können über einen weiten Bereich variieren. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Legierungsentwicklung für Strö- mungsmaschinen ist jedoch in der Lage, das Verfahren zur Vorbehandlung des Basismaterials derart zu wählen, dass in einem fertig hergestellten Bauteil aus einer Superlegierung die oben beschriebenen vorteilhaften Materialzusammensetzungen oder -phasen eingestellt werden.
Vorliegend betrifft das Basismaterial 1 vorzugsweise ein Aus- gangsmaterial für die additive Herstellung eines Bauteils aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung .
Figur 4 zeigt eine Vorrichtung 100 in einer schematischen Schnittansicht. Die Vorrichtung 100 ist vorzugsweise zum Be- trieb des beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Die Vorrich¬ tung 100 ist vorzugsweise verschieden von einer konventionel¬ len Anlage oder Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils . Zum Halten des Basismaterials 1, beispielsweise im Fall von pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren umfasst die Vorrichtung 100 einen Behälter 2.
Die Vorrichtung 100 umfasst insbesondere weiterhin eine Be- heizungseinrichtung 4 zum Beheizen des Basismaterials 1 gemäß dem beschriebenen Verfahren. Vorzugsweise wird das Basismate¬ rial 1 erfindungsgemäß besonders homogen erwärmt, um Diffusi¬ onsprozesse ebenfalls homogen, beispielsweise über das gesam¬ te Pulverbett des Basismaterials 1 verteilt, ablaufen zu las- sen.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Kühleinrichtung 3, welche ebenfalls vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass das Basismaterial 1 besonders homogen und/oder besonders ef- fektiv und schnell abgekühlt werden kann. Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Basismaterial durch die Kühleinrichtung 3 entsprechend der oben beschriebe¬ nen Temperaturgradienten abgekühlt wird. Dies kann beispiels¬ weise ein rasches Abschrecken des Behälters 2 in Wasser oder flüssigem Stickstoff umfassen oder eine Kühlung auf Trockeneisbasis. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühleinrichtung 3 beispielsweise eine Gaskühlung umfassen. Dafür kann ein gekühltes Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff vorgesehen sein. Als „Kühlgas" kann das oben genannte Schutzgas herange¬ zogen werden, wenn die Vorrichtung 100 beispielsweise in eine Anlage zur additiven Herstellung integriert ist (siehe unten) .
Die Kühleinrichtung 3 ist vorzugsweise innerhalb der Behei¬ zungseinrichtung 4 angeordnet. Alternativ kann jedoch auch die Beheizungseinrichtung 4 innerhalb der Kühleinrichtung 3 angeordnet sein.
Anders als in der Figur 4 dargestellt, kann der oben genannte Behälter eine andere als die gezeigte eckige Form haben, bei¬ spielsweise eine Kugelform für eine besonders homogene Tempe¬ ratureinstellung durch das thermodynamische Gleichgewicht.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage 200 zur additiven Herstellung eines Bauteils 10. Das Bauteil 10 ist in einem Fenster (nicht explizit gekennzeichnet) der Anlage 200 ange¬ deutet. Die Anlage 200 umfasst die Vorrichtung 100. Die Anla- ge 200 ist weiterhin vorzugsweise eine Anlage zum Laser¬ auftragschweißen oder zum pulverbettbasierten additiven Aufbauen des Bauteils 10, insbesondere zum selektiven Laser¬ schmelzen, oder eine entsprechende Vorrichtung. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi- nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils (10) aus einem pulverförmigen Basismaterial (1), umfassend die folgenden Schritte:
thermisches Vorbehandeln des Basismaterials (1) bei einer ersten Temperatur (Tl) von mindestens 800 °C, wobei die erste Temperatur (Tl) und eine Dauer (tl, t2) der Vorbehandlung weiterhin derart gewählt sind, dass es zu keinem Sinter-Vorgang des Basismaterials kommt,
anschließendes Abkühlen des Basismaterials (1) und
additives Aufbauen des Bauteils (10) aus dem thermisch vorbehandelten Basismaterial (1).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die thermische Vorbe¬ handlung derart durchgeführt wird, dass eine Diffusionslänge von Bestandteilen, insbesondere von Borverbindungen, KohlenstoffVerbindungen und/oder Bildnern einer γ-Phase einer Su- perlegierung des Basismaterials (1) bei der ersten Temperatur größer ist, als eine mittlere Korngröße von Pulverpartikeln des Basismaterials (1) .
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt wird, dass eine Seigerung, insbesondere von Borverbindungen, KohlenstoffVerbindungen und/oder Bildnern einer γ-Phase einer Superlegierung, an Korngrenzen von Pulverpartikeln des Basismaterials (1) verhindert wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt wird, die erste Temperatur insbesondere derart gewählt wird, dass eine Ausscheidung von, insbesondere intergranularen, Boriden und/oder Carbiden minimiert wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abkühlen derart durchgeführt wird, dass sich das Basisma¬ terial mit einem Temperaturgradienten von mindestens 150, vorzugsweise 200 K/min, beispielsweise auf Raumtemperatur, abkühlt .
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer (tl, t2) der Vorbehandlung mindestens zwei Stunden beträgt .
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorbehandlung ein Aufwärmen des Basismaterials (1) auf eine erste Temperatur (Tl) von mindestens 1000 °C mit einem Temperaturgradienten von mindestens 5 K/min umfasst.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorbehandlung nach einem Erwärmen auf die erste Tempera- tur, ein Abkühlen auf eine zweite Temperatur (T2), insbesondere auf eine Temperatur zwischen 1100°C und 1200 °C, mit ei¬ nem Temperaturgradienten von mindestens 150, vorzugsweise 200 K/min umfasst.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Vorbehandlung derart durchgeführt wird, dass das Basismaterial während des Abkühlens eine martensitische Umwandlung erfährt.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Vorbehandlung in einer von einer konventionellen Anlage (200) für den additiven Aufbau verschiedenen Vorrichtung (100) durchgeführt wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (1) während und/oder nach der thermischen Vorbehandlung homogen erwärmt und/oder abgekühlt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (1) ein Basismaterial für eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung ist.
13. Bauteil, welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, wei¬ terhin umfassend eine Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 200 ym, vorzugsweise weniger als 100 ym.
14. Vorrichtung (100) für die additive Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Beheizungseinrichtung (4) und eine Kühleinrichtung (3), wobei die Vorrichtung (100) zum Betrieb des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aus¬ gebildet ist.
15. Anlage (200) zur additiven Herstellung eines Bauteils, umfassend die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 14, wobei die Anlage (200) eine Laserauftragschweiß-Vorrichtung oder eine Vorrichtung zum pulverbettbasierten additiven Aufbauen des Bauteils ist, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen.
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