CH705750A1 - Verfahren zur Herstellung von Komponenten oder Abschnitten, die aus einer Hochtemperatur-Superlegierung bestehen. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Komponenten oder Abschnitten, die aus einer Hochtemperatur-Superlegierung bestehen. Download PDF

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CH705750A1
CH705750A1 CH01754/11A CH17542011A CH705750A1 CH 705750 A1 CH705750 A1 CH 705750A1 CH 01754/11 A CH01754/11 A CH 01754/11A CH 17542011 A CH17542011 A CH 17542011A CH 705750 A1 CH705750 A1 CH 705750A1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente oder eines Abschnitts, die/der aus einer Hochtemperatur-Superlegierung auf der Basis von Ni oder Co oder Fe oder Kombinationen davon besteht, das die folgenden Schritte umfasst: a) Ausbilden der Komponente oder des Abschnitts mittels eines Additivherstellungsprozesses auf Pulverbasis; und b) Unterziehen der ausgebildeten Komponente oder des ausgebildeten Abschnitts einer Wärmebehandlung, um spezifische Materialeigenschaften zu verbessern. Die Materialeigenschaften können wesentlich und in einer sehr flexiblen Weise verbessert werden, indem die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen im Vergleich zu gegossenen Komponenten/Abschnitten stattfindet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technologie von Superlegierungen. Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten oder Abschnitten, die aus einer Hochtemperatur-Superlegierung bestehen, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
STAND DER TECHNIK
[0002] In der Vergangenheit wurde der Einfluss von verschiedenen Wärmebehandlungen auf eine beispielhafte gegossene Superlegierung auf Ni-Basis wie IN738LC untersucht.
[0003] Die Haltbarkeit dieser Superlegierung hängt von der Verfestigung von γ ́-Ausscheidungen ab (siehe beispielsweise E. Balikci et al. Influence of various heat treatments on the microstructure of polycrystalline IN738LC, Metallurgical and Materials Transactions A Band 28, Nr. 10, 1993-2003, Okt. 1997). Das beschleunigte luftgekühlte (AAC) Lösungsglühen bei 1120 °C/2 h, das in der Literatur angegeben ist, erzeugt bereits eine bimodale Ausscheidungsmikrostruktur, die folglich keine angemessene Lösungsglühprozedur ist, um zu Beginn einen einphasigen Mischkristall in der Legierung zu ergeben. Eine Mikrostruktur mit feinen Ausscheidungen entwickelt sich, wenn das Lösungsglühen unter 1200 °C/4 h/AAC-Bedingungen ausgeführt wird. Aushärtungen bei niedrigeren Temperaturen nach 1200 °C/ 4 h/AAC- oder 1250 °C/4 h/AAC- oder WQ-Bedingungen ergeben analoge Mikrostrukturen. Aushärtungen unterhalb 950 °C für 24 Stunden ergeben fast kugelartige Ausscheidungen und eine einzelne Aushärtung für 24 Stunden bei 1050 °C oder 1120 °C erzeugt kubische Ausscheidungen.
[0004] Es werden zwei verschiedene γ ́-Ausscheidungs-Wachstumsprozesse beobachtet: Vereinigungen von kleineren Ausscheidungen unter Erzeugung von grösseren (in Duplex-Niederschlagsgrössen-Mikrostrukturen) und Wachstum durch Absorption von gelösten Stoffen aus der Matrix.
[0005] Eine Superlegierung dieser Art, die durch einen Additivherstellungsprozess auf Pulverbasis hergestellt wird, verhält sich jedoch im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften aufgrund einer anderen Mikrostruktur anders.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0006] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente oder eines Abschnitts, d. h. eines Teils einer Komponente, die/der aus einer Hochtemperatur-Superlegierung auf der Basis von Ni oder Co oder Fe oder Kombinationen davon besteht, mittels eines Additivherstellungsprozesses auf Pulverbasis zu schaffen, der im Hinblick auf das Erreichen von massgeschneiderten mechanischen Eigenschaften optimiert ist.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht, das die folgenden Schritte umfasst a) Ausbilden der Komponente oder des Abschnitts mittels eines Additivherstellungsprozesses auf Pulverbasis; und b) Unterziehen der ausgebildeten Komponente oder des ausgebildeten Abschnitts einer Wärmebehandlung, um spezifische Materialeigenschaften zu optimieren; wobei c) die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen im Vergleich zu gegossenen Komponenten oder Abschnitten stattfindet.
[0008] Die Wärmebehandlung verbessert spezifische Materialeigenschaften, wie z. B. Dauerstandfestigkeit, Ermüdungsverhalten bei niedriger Lastspielzahl usw., durch Optimieren der Mikrostruktur.
[0009] Die Erfindung bezieht sich folglich auf die Wärmebehandlung von Materialien/Komponenten/Abschnitten, die aus Superlegierungen auf Ni/Co/Fe-Basis bestehen, die durch eine Additivherstellungstechnologie auf Pulverbasis hergestellt werden, wie z. B. SLM (Selektives Laserschmelzen) oder LMF (Lasermetallformen) oder EBM (Elektronenstrahlschmelzen). Diese Gegenstände weisen andere Mikrostrukturen im Vergleich beispielsweise zu herkömmlich gegossenem Material derselben Legierung auf. Dies liegt hauptsächlich an der Herstellung der Gegenstände auf Pulverbasis und den innewohnenden hohen Abkühlraten der Energiestrahl-Material-Wechselwirkung in diesen Prozessen. Folglich ist das Material in Bezug auf die chemische Zusammensetzung sehr homogen und grundsätzlich frei von Segregationen.
[0010] Aufgrund der Tatsache, dass durch die Additivherstellungstechnologien auf Pulverbasis hergestellte Superlegierungen auf Ni/Co/Fe-Basis von restlichen eutektischen Gehalten im Allgemeinen frei sind, können Wärmebehandlungen bei höheren Temperaturen im Vergleich zu gegossenen Komponenten/Abschnitten verwirklicht werden, um einen höheren Lösungsgrad zu erreichen, ohne das Risiko von einsetzendem Schmelzen. Dies ermöglicht eine Einstellung der Mikrostruktur über einen breiten Bereich, einschliesslich der Korngrössen- und Ausscheidungsoptimierung, was zu verbesserten Materialeigenschaften führt. Ferner ermöglicht dies das Zuschneiden der Materialeigenschaften auf seine spezifische Anwendung, was bei herkömmlichen Herstellungsverfahren wie z. B. Giessen sehr begrenzt ist. Dies kann für das modulare Teilekonzept verwendet werden, wobei jedes Segment gemäss seiner Funktion optimiert wird, z. B. Vorderkanten mit verbessertem LCF-Verhalten, wohingegen thermisch belastete Bereiche eine erhöhte Dauerstandfestigkeit aufweisen.
[0011] Das Hochtemperaturmaterial kann eine Legierung auf Ni-Basis sein, wie z. B. jene, die unter ihren Markennamen Waspaloy, Hastelloy X, IN617, IN718, IN625, Mar-247, IN100, IN738, IN792, Mar-M200, 81900, RENE 80, Alloy 713, Haynes 230, Haynes 282 bekannt sind, und andere Derivate, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0012] Das Hochtemperaturmaterial kann andererseits eine Legierung auf Co-Basis sein, wie z. B. jene, die unter ihren Markennamen FSX 414, X-40, X-45, MAR-M 509 oder MAR-M 302 bekannt sind, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0013] Das Hochtemperaturmaterial kann eine Legierung auf Fe-Basis sein, wie z. B. jene, die unter ihren Markennamen A 286, Alloy 800 H, N 155, S 590, Alloy 802, Incoloy MA 956, Incoloy MA 957 oder PM 2000 bekannt sind, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0014] Oder das Hochtemperaturmaterial kann eine Superlegierung auf der Basis von mehr als einem, das aus der Gruppe von Fe, Ni, Co ausgewählt ist, sein.
[0015] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist der Additivherstellungsprozess auf Pulverbasis einer von selektivem Laserschmelzen (SLM), selektivem Lasersintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) mit den folgenden Schritten: a) Erzeugen eines dreidimensionalen Modells der Komponente oder des Abschnitts; b) Berechnen von Querschnitten des Modells mittels eines Schnittprozesses; c) Vorsehen einer Additivherstellungsmaschine mit einer Maschinensteuereinheit; d) Vorbereiten der Pulver der Superlegierung auf Ni- oder Co- oder Fe-Basis, die für den Prozess erforderlich sind; e) Zuführen der berechneten Querschnitte zur Maschinensteuereinheit und Speichern derselben darin; f) Vorbereiten einer Pulverschicht mit einer regelmässigen und gleichmässigen Dicke auf einer Substratplatte der Additivherstellungsmaschine oder auf einer vorher bearbeiteten Pulverschicht; g) Durchführen des Schmelzens der Pulverschicht durch Abtasten mit einem Energiestrahl gemäss einem in der Steuereinheit gespeicherten Querschnitt der Komponente; h) Absenken der oberen Oberfläche des so gebildeten Querschnitts um eine Schichtdicke; und i) Wiederholen der Schritte f) bis h), bis der letzte Querschnitt des dreidimensionalen Modells erreicht ist.
[0016] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Partikelgrössenverteilung des Pulvers auf die Schichtdicke eingestellt, um eine gute Fliessfähigkeit zu erreichen, die zum Vorbereiten von Pulverschichten mit regelmässiger und gleichmässiger Dicke erforderlich ist.
[0017] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Pulver aus Partikeln mit einer kugelförmigen Gestalt.
[0018] Insbesondere wird die erforderliche Partikelgrössenverteilung des Pulvers durch Sieben und/oder Windsichtung (Luftsichtung) erhalten.
[0019] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird (werden) das oder die Pulver durch entweder Gas- oder Wasserzerstäubung, einen Plasmarotationselektrodenprozess, mechanisches Mahlen oder ähnliche pulvermetallurgische Prozesse erhalten.
[0020] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Additivherstellungsprozess auf Pulverbasis einer von Lasermetallformen (LMF), laserkonstruierter Endform (LENS) oder direkter Metallabschneidung (DMD) und kann Material in Form eines Drahts anstelle von Pulver verwenden.
[0021] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird anstelle von Pulver eine Suspension verwendet.
[0022] Gemäss noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Superlegierung feine dispergierte Oxide, insbesondere Y2O3, AlO3 oder ThO2.
[0023] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung in einer Anlage durchgeführt, die zum Formen der Komponente oder des Abschnitts verwendet wird.
[0024] Alternativ kann die Wärmebehandlung in einer Anlage durchgeführt werden, die von einer Komponenten- oder Abschnittsformungsanlage verschieden ist.
[0025] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmebehandlung eine Kombination von verschiedenen individuellen Wärmebehandlungen.
[0026] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird nur ein Teil der Komponente oder des Abschnitts der Wärmebehandlung unterzogen.
[0027] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wärmebehandlung mehrere Schritte, wobei jeder derartige Schritt eine spezifische Kombination einer Heizrate, einer Haltetemperatur, einer Haltezeit und einer Abkühlrate darstellt.
[0028] Vor und/oder nach jedem Wärmebehandlungsschritt kann die Komponente oder der Abschnitt verschiedenen anderen Bearbeitungsschritten unterzogen werden, wie z. B. maschinelle Bearbeitung, Schweissen oder Hartlöten, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, um die spezifischen Vorteile einer spezifischen Mikrostruktur, z. B. kleine Körner, die für das Schweissen vorteilhaft sind, zu nutzen.
[0029] Ferner kann mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt werden, die lang genug ist, um bestimmte Bestandteile in einer Mikrostruktur der Komponente oder des Abschnitts teilweise oder vollständig aufzulösen, wie z. B. intermetallische Phasen, Carbide oder Nitride.
[0030] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt, die lang genug ist, um Körner, die innerhalb der Komponente oder des Abschnitts vorhanden sind, zu vergröbern.
[0031] Die Kornvergröberung führt zu einer Mikrostruktur, die zu einer herkömmlich gegossenen, gerichtet erstarrten oder Einkristall-Mikrostruktur, die vom Giessen bekannt ist, vergleichbar ist.
[0032] Insbesondere vor der Kornvergröberung kann die Komponente oder der Abschnitt verformt oder speziell in einem Pulverbett angeordnet und mit einer spezifischen Schraffurstrategie abgetastet werden, um Eigenspannungen einzuführen, die zu einer anisotropen Kornstreckung im entsprechenden Wärmebehandlungsschritt führen.
[0033] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt, die lang genug ist, um Metallcarbide, Metallnitride oder Metallcarbonitride, wie z. B. M(C,N), M5C, M7C3oder M23C6 (wobei M ein Metall ist), ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden.
[0034] Ferner kann mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt werden, die lang genug ist, um intermetallische Phasen, wie z. B. Ni3(Al, Ti), das als Gamma-Prime bekannt ist, oder Ni3 (Nb, Al, Ti), das als Gamma-Doppel-Prime bekannt ist, oder Ni3Nb, das als Delta-Phase bekannt ist, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden.
[0035] Insbesondere kann mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt werden, die lang genug ist, um Metallboride, wie z. B. M3B2 (wobei M ein Metall ist), ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden, um die Korngrenzenfestigkeit zu verbessern.
[0036] Mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte wird vorteilhafterweise bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt, die lang genug ist, um den Volumenanteil, die Grösse, die Form und die Verteilung der Ausscheidungen zu modifizieren.
[0037] Gemäss noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte zusätzlich unter einem isostatischen Druck durchgeführt, was als heiss-isostatisches Pressen HIP bekannt ist, um eine Mikrostruktur der Komponente oder des Abschnitts weiter zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0038] Die vorliegende Erfindung soll nun mittels verschiedener Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer erläutert werden. <tb>Fig. 1<sep>zeigt das Ergebnis einer Elektronenmikrosondenanalyse (EPMA) eines IN738LC-Prüfstücks, das durch selektives Laserschmelzen (SLM) bei Raumtemperatur (RT) bearbeitet wurde; <tb>Fig. 2<sep>zeigt das entsprechende Ergebnis einer Elektronenmikrosondenanalyse (EPMA) eines Referenz-IN738LC-Prüfstücks, das in der gewöhnlichen Weise gegossen wurde; <tb>Fig. 3<sep>zeigt die schematische °C(t)-Kurve einer «Referenz»-Wärmebehandlung eines SLM-IN738LC-Prüfstücks (Fig. 3(a)) und der resultierenden Mikrostruktur im Massstab von 500 µm und im Massstab von 200 µm (Fig. 3(b), linkes und rechtes Bild); <tb>Fig. 4<sep>zeigt die schematische °C(t)-Kurve einer gemäss der Erfindung modifizierten Wärmebehandlung eines SLM-IN738LC-PrüfStücks (Fig. 4(a)) und der resultierenden Mikrostruktur im Massstab von 500 µm und im Massstab von 200 um (Fig. 4(b), linkes und rechtes Bild); <tb>Fig. 5-8<sep>zeigen die schematischen °C(t)-Kurven von vier verschiedenen Wärmebehandlungszyklen gemäss der Erfindung, die verwendet wurden, um vier ähnliche Proben einer SLM-IN738LC-Legierung zu behandeln; <tb>Fig. 9<sep>zeigt die Mikrostruktur der gemäss der °C (t)-Kurve von Fig. 5 behandelten Probe mit einer Auflösung von 2 mm und 500 µm. <tb>Fig. 10<sep>zeigt die Mikrostruktur der gemäss der °C(t)-Kurve von Fig. 6 behandelten Probe mit einer Auflösung von 2 mm und 500 µm; <tb>Fig. 11<sep>zeigt die Mikrostruktur der gemäss der °C(t)-Kurve von Fig. 7 behandelten Probe mit einer Auflösung von 500 µm und 200 µm; <tb>Fig. 12<sep>zeigt die Mikrostruktur der gemäss der °C(t)-Kurve von Fig. 8 behandelten Probe mit einer Auflösung von 500 µm und 200 µm; <tb>Fig. 13<sep>zeigt die Mikrostruktur der gemäss der °C(t)-Kurve von Fig. 6 behandelten Probe mit einer Auflösung von 500 um und 200 um (unteres linkes und rechtes Bild) und die Mikrostruktur der gemäss der Referenzbehandlung von Fig. 3behandelten Probe mit einer Auflösung von 500 µm und 200 µm (oberes linkes und rechtes Bild) im Vergleich; und <tb>Fig. 14<sep>zeigt die Prozessschritte einer teilweisen Wärmebehandlung gemäss der Erfindung, um die Eigenschaften einer Komponente (Turbinenschaufel) in einem festgelegten Bereich der Komponente zu modifizieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
[0039] Aufgrund der Tatsache, dass Superlegierungen auf Ni/Co/Fe-Basis, die durch Additivherstellungstechnologien auf Pulverbasis hergestellt werden, im Allgemeinen frei von restlichen eutektischen gehalten sind, können Wärmebehandlungen bei höheren Temperaturen im Vergleich zu gegossenen Komponenten/Abschnitten verwirklicht werden, um einen höheren Lösungsgrad zu erreichen, ohne das Risiko von einsetzendem Schmelzen. Dies ermöglicht speziell eingestellte Wärmebehandlungen, um spezifische Materialeigenschaften zu optimieren, wie z. B. Dauer-Standfestigkeit oder Ermüdungsverhalten bei niedrige Lastspielzahl, in einem sehr breiten Spektrum, das bis zum heutigen Tag nicht erreichbar war. Dies ist für modulare Teilekonzepte sowie zum Aufarbeiten mit einer Abschnittsreparaturmethode vorteilhaft, wobei für spezifische Orte/Anwendungen zugeschnittene Materialeigenschaften gefordert werden.
[0040] Daher umfasst diese Offenbarung die Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen durch Additivherstellungstechnologien auf Pulverbasis, die aus einem Hochtemperaturmaterial bestehen, gefolgt von einer speziell angepassten Wärmebehandlung, die zu einer optimierten Mikrostruktur und daher gesteigerten Materialeigenschaften führt.
[0041] Die Additivherstellungstechnologie auf Pulverbasis kann selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Lasermetallformen (LMF), laserkonstruierte Endform (LENS), direkte Metallabschneidung (DMD) oder ähnliche Prozesse sein.
[0042] Das Hochtemperaturmaterial kann eine Legierung auf Ni-Basis sein, wie z. B. Waspaloy, Hastelloy X, IN617, IN718, IN625, Mar-247, IN100, IN738, IN792, Mar-M200, 81900, RENE 80, Alloy 713, Haynes 230, Haynes 282 oder andere Derivate, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0043] Das Hochtemperaturmaterial kann alternativ eine Legierung auf Co-Basis sein, wie z. B. FSX 414, X-40, X-45, MAR-M 509 oder MAR-M 302, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0044] Das Hochtemperaturmaterial kann alternativ eine Legierung auf Fe-Basis sein, wie z. B. A 286, Alloy 800 H, N 155, S 590, Alloy 802, Incoloy MA 956, Incoloy MA 957 oder PM 2000, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
[0045] Alternativ kann das Hochtemperaturmaterial eine Superlegierung auf der Basis von Kombinationen von mindestens zwei, die aus der Gruppe von Fe, Ni, Co ausgewählt ist, sein.
[0046] Die Erfindung wird im Hinblick auf eine IN738LC-Legierung (LC bedeutet kohlenstoffarm) im Einzelnen erläutert. Fig. 1 zeigt das Ergebnis einer Elektronenmikrosondenanalyse (EPMA) eines IN738LC-Prüfstücks, das durch selektives Laserschmelzen (SLM) bei Raumtemperatur (RT) bearbeitet wurde (nur einige der verschiedenen Elemente der Legierung sind bezeichnet). Zum Vergleich zeigt Fig. 2 das entsprechende Ergebnis einer Elektronenmikrosondenanalyse (EPMA) eines Referenz-IN738LC-Prüfstücks, das in der gewöhnlichen Weise gegossen wurde. Durch Vergleichen von Fig. 1und Fig. 2ist offensichtlich, dass die Streuung/Variation des SLM-Prüfstücks im Vergleich zur «gegossenen Referenz» wesentlich niedriger ist, obwohl kein signifikanter Unterschied des Mittelwerts zwischen dem SLM- und dem gegossenen Prüfstück zu sehen ist. Insbesondere trat keine signifikante Verarmung von γ ́-Kernen wie z. B. Al und Ti während der Bearbeitung des SLM-Prüfstücks auf.
[0047] Gemäss der Erfindung wurde ein solches SLM-IN738LC-Prüfstück einer Wärmebehandlung (Fig. 4(a)) unterzogen, die eine Modifikation der gewöhnlichen Wärmebehandlung (Fig. 3(a)) ist, wobei die Modifikation einen anfänglichen Hochtemperatur-Lösungswärmebehandlungssehritt (Hochtemperatur-SHT-Schritt) A umfasst, dem drei weitere (gewöhnliche) Wärmebehandlungsschritte B1-B3 bei niedrigeren Temperaturen folgen.
[0048] Wie aus den jeweiligen Bildern der Mikrostruktur (Fig. 3(b) und 4(b)) zu sehen ist, ändert und optimiert die modifizierte Wärmebehandlung die Mikrostruktur, wodurch spezifische Materialeigenschaften verbessert werden, wie z. B. Dauerstandfestigkeit, LCF-Verhalten usw. Insbesondere findet eine signifikante Kornvergröberung infolge einer modifizierten Wärmebehandlung statt.
[0049] Um den Einfluss der Lösungstemperatur und Haltezeit auf die Korngrösse zu untersuchen, wurden vier verschiedene Proben eines IN738LC-Materials verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen, wie in Fig. 5-8 gezeigt. Die Wärmebehandlungsversuche wurden an kleinen rechteckigen Teststücken durchgeführt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Wärmebehandlungsversuche im «Ist»-Zustand durchgeführt wurden, z. B. ohne vorherige Wärmebehandlungen (z. B. keine heiss-isostatische Pressbehandlung).
[0050] Die Behandlungen waren wie folgt: <tb>Erste Probe:<sep>1250 °C/3 h (Fig. 5) <tb>Zweite Probe:<sep>1250 °C/3 h + 1180 °C/4 h + 1120 °C/2,5 h + 850 °C/24 h (Fig. 6) <tb>Dritte Probe:<sep>1250 °C/1 h (Fig. 7) <tb>Vierte Probe:<sep>1260 °C/1 h (Fig. 8)
[0051] Zum Vergleich wurde eine weitere Probe einer Referenzwärmebehandlung gemäss Fig. 3mit den Wärmebehandlungsschritten B1-B3 unterzogen, die festgelegt sind als <tb>B1<sep>HIP(1180 °C/4 h) <tb>B2<sep>1120 °C/2,5 h <tb>B3<sep>850 °C/24 h
[0052] Die resultierende Mikrostruktur der Proben 1 und 2, die bei 1250 °C/3 h (Fig. 5, 6) lösungswärmebehandelt wurden, ist in den Bildern von Fig. 9und 10gezeigt. Wie aus Fig. 13zu sehen ist, fand eine signifikante Kornvergröberung (unteres linkes und rechtes Bild) im Vergleich zur Referenzwärmebehandlung (oberes linkes und rechtes Bild) statt.
[0053] Die Haltezeit von 1 h bei 1250 °C und 1260 °C gemäss Fig. 7 bzw. 8 reicht jedoch noch nicht aus, um eine vollständig umkristallisierte/vergröberte Mikrostruktur zu erreichen (siehe Fig. 11 und 12).
[0054] Ferner ist es wichtig zu beachten, dass die γ ́-Ausscheidungsgrösse (Gamma-Prime-Ausscheidungsgrösse) und -Morphologie stark von den Abkühlraten abhängen.
[0055] Die Korngrenzenmorphologie und die Ausscheidungen sind für gute Kriecheigenschaften wichtig. Daher wurde eine herkömmlich gegossene IN738LC-Mikrostruktur ebenso analysiert. Als Ergebnis werden Carbidausscheidungen entlang der Korngrenzen gefunden. Bei IN738LC liegen hauptsächlich zwei Typen von Carbiden vor, die Carbide vom Ti (Ta, Nb)-reichen MC-Typ und die M23C6-Carbide, die besonders reich an Chrom sind.
[0056] Im «Ist»-Zustand wurden Carbidausscheidungen im um-Massstab in dem durch selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellten Material nicht gefunden. Es ist wichtig zu beachten, dass abgesehen von der Härtungs-γ ́-Phase auch unbedeutende Anteile von MC- und M23C6-Carbiden und auch M3B2-Boriden zusätzliche Härtungsausscheidungen sind und für die Korngrenzenverfestigung besonders wichtig sind.
[0057] Abschliessend zeigen, die Ergebnisse, dass die Kornvergröberung von IN738LC, das durch selektives Laserschmelzen («Ist»-Zustand) hergestellt wird, durch eine vollständige Lösungswärmebehandlung über der γ ́-Solvus-Temperatur, z. B. für 3 h bei 1250 °C, erreicht werden kann.
[0058] Die Grundidee besteht darin, die Wärmebehandlung über der γ ́-Solvus-Temperatur durchzuführen. Aufgrund der Tatsache, dass das SLM-Material sehr homogen ist (siehe Elektronenmikrosondenanalyse (Fig. 1)), ist das Risiko von einsetzendem Schmelzen verringert. Ausgeprägte Zusammensetzungsinhomogenitäten, wie in gegossenen Komponenten/Abschnitten beobachtet, z. B. Mikrosegregationen aufgrund der dendritischen Verfestigung, sind in den durch SLM hergestellten Komponenten/Abschnitten bisher nicht zu finden.
[0059] Folglich haben durch SLM hergestellte Superlegierungen auf Ni-und/oder Co-Basis das Potential, dass sie bei höheren Temperaturen im Vergleich zu herkömmlich gegossenem Material derselben Zusammensetzung wärmebehandelt werden. Dies liegt hauptsächlich an der Gegenstandsherstellung auf Pulverbasis und der innewohnenden hohen Abkühlraten der Energiestrahl-Material-Wechselwirkung im SLM-Prozess. Die homogene Zusammensetzung des SLM-Materials, das grundsätzlich von Segregationen frei ist, wurde durch Elektronenmikrosondenanalyse (EPMA) gezeigt.
[0060] Um optimierte Mikrostrukturen in Bezug auf die Korngrösse und Korngrenzen/(γ/γ ́)-Morphologie) zu erreichen, werden spezielle Wärmebehandlungen verwendet, um zugeschnittene Materialeigenschaften zu erreichen.
[0061] Wie im Hinblick auf Fig. 5-8 erläutert wurde, kann die Wärmebehandlung gemäss der Erfindung eine Kombination von verschiedenen individuellen Wärmebehandlungen (z. B. A, B1, B2, B3) sein. Folglich kann die Wärmebehandlung aus mehreren Schritten bestehen, die jeweils eine spezifische Kombination von Heizrate, Haltetemperatur, Haltezeit und Abkühlrate darstellen.
[0062] Die Wärmebehandlung kann in der Herstellungsanlage oder mittels einer unabhängigen Anlage durchgeführt werden.
[0063] Die herzustellende Komponente oder der herzustellende Abschnitt kann der Wärmebehandlung entweder als Ganzes oder nur teilweise unterzogen werden.
[0064] Fig. 14 zeigt Prozessschritte einer teilweisen Wärmebehandlung gemäss der Erfindung, um die Eigenschaften einer Komponente (in diesem Fall einer Turbinenschaufel) in einem festgelegten Bereich der Komponente zu modifizieren. Die Turbinenschaufel 20 von Fig. 14 umfasst einen Flügel 21, eine Plattform 22 und einen Schaufelfuss 23. Um das mechanische Verhalten z. B. eines Schaufelspitzenbereichs zu optimieren, wird die Schaufel 20 mit diesem Schaufelspitzenbereich in das Innere einer Wärmebehandlungsvorrichtung 25 eingeführt, die ein Ofen sein kann. Mittels einer geeigneten Steuerung 26 wird die Temperatur innerhalb der Wärmebehandlungsvorrichtung 25 gemäss einer Wärmebehandlungskurve gesteuert, wie beispielsweise in Fig. 5-8 gezeigt. Wenn die Wärmebehandlung durchgeführt wurde, weist die Schaufel 20 optimierte Eigenschaften im Bereich 27 der Schaufelspitze auf.
[0065] In einem anderen Beispiel wird ein Abschnitt durch SLM hergestellt und dann gemäss der Offenbarung wärmebehandelt. Dieser Abschnitt wird zum Reparieren einer Turbinenschaufel durch Einsetzen desselben in die zu reparierende Schaufel, gefolgt von einer Wärmebehandlung der zusammengesetzten Schaufel, verwendet.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0066] <tb>20<sep>Turbinenschaufel <tb>21<sep>Flügel <tb>22<sep>Plattform <tb>23<sep>Fuss <tb>24<sep>Spitze <tb>25<sep>Wärmebehandlungsvorrichtung (z. B. Ofen) <tb>26<sep>Steuerung <tb>27<sep>optimierter Bereich

Claims (23)

1. Verfahren zur Herstellung einer Komponente oder eines Abschnitts, die/der aus einer Hochtemperatur-Superlegierung auf der Basis von Ni oder Co oder Fe oder Kombinationen davon besteht, das die folgenden Schritte umfasst: a) Ausbilden der Komponente oder des Abschnitts mittels eines Additivherstellungsprozesses auf Pulverbasis; und b) Unterziehen der ausgebildeten Komponente oder des ausgebildeten Abschnitts einer Wärmebehandlung, um spezifische Materialeigenschaften zu optimieren; dadurch gekennzeichnet, dass c) die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen im Vergleich zu gegossenen Komponenten/Abschnitten stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Additivherstellungsprozess auf Pulverbasis einer ist von selektivem Laserschmelzen (SLM), selektivem Lasersintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM), und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erzeugen eines dreidimensionalen Modells der Komponente oder des Abschnitts; b) Berechnen von Querschnitten des Modells mittels eines Schnittprozesses; c) Bereitstellung einer Additivherstellungsmaschine mit einer Maschinensteuereinheit; d) Vorbereiten der Pulver der Superlegierung, die für den Prozess erforderlich sind; e) Zuführen der berechneten Querschnitte zur Maschinensteuereinheit und Speichern derselben darin; f) Vorbereiten einer Pulverschicht mit einer regelmässigen und gleichmässigen Dicke auf einer Substratplatte der Additivherstellungsmaschine oder auf einer vorher bearbeiteten Pulverschicht; g) Durchführen des Schmelzens der Pulverschicht durch Abtasten mit einem Energiestrahl gemäss einem in der Steuereinheit gespeicherten Querschnitt der Komponente oder des Abschnitts; h) Absenken der oberen Oberfläche des so gebildeten Querschnitts um eine Schichtdicke; und i) Wiederholen der Schritte f) bis h), bis der letzte Querschnitt des dreidimensionalen Modells erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Partikelgrössenverteilung des Pulvers auf die Schichtdicke eingestellt wird, um eine gute Fliessfähigkeit zu erreichen, die zum Vorbereiten von Pulverschichten mit regelmässiger und gleichmässiger Dicke erforderlich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver aus Körnern mit kugelförmiger Gestalt besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Partikelgrössenverteilung des Pulvers durch Sieben und/oder Windsichtung (Luftsichtung) erhalten wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver oder die Pulver durch entweder Gas- oder Wasserzerstäubung, einen Plasmarotationselektrodenprozess, mechanisches Mahlen oder ähnliche pulvermetallurgische Prozesse erhalten wird (werden).
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Additivherstellungsprozess auf Pulverbasis einer von Lasermetallformen (LMF), laserkonstruierter Endform (LENS) oder direkter Metallabschneidung (DMD) ist und Material in Form eines Drahts anstelle von Pulver verwenden kann.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension anstelle von Pulver verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Superlegierung feine dispergierte Oxide, insbesondere Y2O3, AlO3 oder ThO2, umfasst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Anlage durchgeführt wird, die zum Ausbilden der Komponente oder des Abschnitts verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Anlage durchgeführt wird, die von einer Komponenten- oder Abschnittsformungsanlage verschieden ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine Kombination von verschiedenen individuellen Wärmebehandlungen ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Komponente oder des Abschnitts der Wärmebehandlung unterzogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mehrere Schritte umfasst, wobei jeder derartige Schritt eine spezifische Kombination von Heizrate, Haltetemperatur, Haltezeit und Abkühlrate darstellt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach jedem Wärmebehandlungsschritt die Komponente oder der Abschnitt verschiedenen anderen Bearbeitungsschritten unterzogen wird, wie z. B. maschinelle Bearbeitung, Schweissen oder Hartlöten, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, um die spezifischen Vorteile einer spezifischen Mikrostruktur zu nutzen, z. B. kleine Körner, die zum Schweissen vorteilhaft sind.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um bestimmte Bestandteile in einer Mikrostruktur der Komponente oder des Abschnitts teilweise oder vollständig aufzulösen, wie z. B. intermetallische Phasen, Carbide oder Nitride.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um Körner, die innerhalb der Komponente oder des Abschnitts vorhanden sind, zu vergröbern.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Kornvergröberung die Komponente oder der Abschnitt verformt oder speziell in einem Pulverbett angeordnet und mit einer spezifischen Schraffurstrategie abgetastet wird, um Eigenspannungen einzuführen, die zu einer anisotropen Kornstreckung in dem entsprechenden Wärmebehandlungsschritt führen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um Metallcarbide, Metallnitride oder Metallcarbonitride, wie z. B. M(C,N), M6C, M7C3 oder M23C6(wobei M ein Metall ist), ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um intermetallische Phasen, wie z. B. Ni3(Al, Ti), das als Gamma-Prime bekannt ist, oder Ni3(Nb, Al, Ti), das als Gamma-Doppel-Prime bekannt ist, oder Ni3Nb, das als Delta-Phase bekannt ist, ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um Metallboride, wie z. B. M3B2 (wobei M ein Metall ist), ohne jedoch darauf begrenzt zu sein, auszuscheiden, um die Korngrenzenfestigkeit zu verbessern.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der der Wärmebehandlungsschritte bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine Haltezeit durchgeführt wird, die lang genug ist, um den Volumenanteil, die Grösse, die Form und die Verteilung der Ausscheidungen zu modifizieren.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmebehandlungsschritte ausserdem unter einem isostatischen Druck durchgeführt wird, was als heiss-isostatisches Pressen (HIP) bekannt ist, um eine Mikrostruktur der Komponente oder des Abschnitts weiter zu verbessern.
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