DE102011116212A1 - Heat treatments of metal mixtures formed by ALM to form superalloys. - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bilden eines Gegenstands, umfassend: (i) Bilden einer Schicht eines Gemischs aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallpulvern, die so ausgewählt sind, dass sie dann, wenn sie vereinigt werden, chemisch in den Anteilen einer Superlegierung vorliegen, die eine gamma'-Phase enthält, (ii) lokales Schmelzen der Pulver ohne Diffusion zur Festlegung der Gestalt eines Teils des Gegenstands, so dass die Materialien der unterschiedlichen Metallpulver im Wesentlichen chemisch getrennte Bildungsbereiche mit einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung bleiben, (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii), bis der abgeleitete Gegenstand ausgebildet ist, und (iv) Wärmebehandeln des fertigen Gegenstands, so dass mindestens eines der unterschiedlichen getrennten Materialien zur Bildung einer gamma'-Phase-enthaltenden Superlegierung mit dem anderen der unterschiedlichen getrennten Materialien diffundiert.A method of forming an article comprising: (i) forming a layer of a mixture of at least two different metal powders selected so that when combined, they are chemically present in the superalloy portions that are gamma 'phase contains (ii) locally melting the powders without diffusion to define the shape of part of the article so that the materials of the different metal powders remain essentially chemically separate areas of formation with a different chemical composition, (iii) repeating steps (i) and ( ii) until the derived article is formed, and (iv) heat treating the finished article so that at least one of the different separated materials to form a gamma'-phase superalloy diffuses with the other of the different separated materials.
Description
Diese Erfindung betrifft die Verarbeitung von Metallpulvern, z. B. durch eine Kombination eines „Additive Layer Manufacturing (ALM)” (Herstellung durch Schichtaufbau) auf thermischer Basis (z. B. Laser oder Elektronenstrahl) und anschließender Wärmebehandlungen, durch die dann eine Superlegierung und insbesondere Superlegierungen gebildet werden, die eine gamma'-Phase enthalten.This invention relates to the processing of metal powders, e.g. By a combination of "additive layer manufacturing (ALM)" (thermal build-up) (eg laser or electron beam) followed by heat treatments, which then form a superalloy and in particular superalloys which have a gamma ' Phase included.
Hintergrundbackground
Superlegierungen sind Legierungen, die nicht nur durch die Art ihrer Matrix und Chemie, sondern auch durch die Gegenwart von speziellen Verfestigungsphasen, üblicherweise Ausscheidungen, verfestigt werden. Bezüglich einer genaueren Beschreibung von Superlegierungen vgl.
Eine Superlegierung ist im Allgemeinen als eine Legierung mit einer hervorragenden mechanischen Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, einer guten Oberflächenstabilität und einer Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit definiert. Einige der nützlichsten Superlegierungen bilden Sekundärphasenausscheidungen, wie z. B. gamma'-Ausscheidungen, und diese gamma'-Ausscheidungen umfassen häufig Titan und Aluminium. Diese Superlegierungen bringen zahlreiche Herausforderungen bezüglich der Verarbeitung mit sich, die häufig in einem Diagramm dargestellt werden, wie es in der
Es ist bekannt, dass funktionelle Metallteile mittels ALM aus verschiedenen reinen Metallen und Legierungen hergestellt werden können. In der Vergangenheit wurde ein sogenannter „Flüssigphasensinter”-Prozess zur Bildung von mechanisch harten Teilen, wie z. B. Formen, aus einem Mehrkomponenten-Metallpulver eines Herstellers, wie z. B. DirectMetal 20- und DirectSteel-Produkten von der EOS GmbH, verwendet. Bei dem Flüssigphasensintern handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Komponente des Pulvers mit niedrigerem Schmelzpunkt durch den Laser geschmolzen wird, jedoch die anderen Komponenten mit einem höheren Schmelzpunkt fest bleiben. DirectMetal wird von dessen Herstellern als „Matrix auf Bronzebasis, die Nickel enthält” mit einer Restporosität von 8% beschrieben, wobei keine Wärmebehandlung erforderlich oder beschrieben ist. DirectSteel H20 ist als „Mehrkomponenten-Metallpulver auf Stahlbasis” beschrieben, das dann, wenn es lasergesintert wird, eine Stahllegierung mit einer Dichte von mehr als 99,5% bildet, die eine um 5 bis 10% verbesserte Zugfestigkeit und eine um 10 bis 15% verbesserte Dehngrenze nach einer Wärmebehandlung aufweist.It is known that functional metal parts can be made by ALM from various pure metals and alloys. In the past, a so-called "liquid-phase sintering" process has been used to form mechanically hard parts, such as the like. As forms, from a multi-component metal powder of a manufacturer, such. DirectMetal 20 and DirectSteel products from EOS GmbH. Liquid phase sintering is a process in which one component of the lower melting powder is melted by the laser, but the other components with a higher melting point remain solid. DirectMetal is described by its manufacturers as a "bronze based matrix containing nickel" with a residual porosity of 8%, with no heat treatment required or described. DirectSteel H20 is described as a "steel-based multi-component metal powder" which, when laser sintered, forms a steel alloy with a density of more than 99.5%, which provides 5 to 10% improved tensile strength and 10 to 15% has% improved yield strength after a heat treatment.
In letzter Zeit wurde im Zuge von besser geeigneten Lasern ein vollständiges Schmelzen von vielen homogenen Metallpulvern gebräuchlich. Das Pulver-Ausgangsmaterial für solche Teile ist für die resultierende Legierung chemisch homogen und wird durch Schmelzen eines chemisch homogenen Stab-Ausgangsmaterials oder von Elementen hergestellt und weist die für das fertige Teil erforderliche Zusammensetzung auf.Recently, in the course of more suitable lasers, complete melting of many homogeneous metal powders has become common. The powder source for such parts is chemically homogeneous for the resulting alloy and is made by melting a chemically homogeneous rod stock or elements and has the composition required for the finished part.
In dem besten ALM-Verfahren des Standes der Technik wird das Pulver, wenn dies gewünscht ist, durch die selektive Anwendung einer Energiequelle (typischerweise eines Lasers oder eines Elektronenstrahls) vollständig geschmolzen und verfestigt sich dann, so dass Schicht für Schicht ein Metallteil mit maximaler Dichte erzeugt wird, das einer Schnittaufbaudatei („sliced design file”) entspricht. Da das Pulver vollständig geschmolzen wird und viele Metalle und Legierungen einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, weist das Teil, so wie es hergestellt worden ist, beträchtliche innere Spannungen auf und das Teil wird zur Bewahrung der Abmessungsgenauigkeit durch eine Aufbauplatte oder Vorrichtungen und Aufspannvorrichtungen während des Aufbaus und während einer anschließenden Wärmebehandlung zur im Wesentlichen vollständigen Beseitigung dieser Spannungen vor der Entfernung von der Aufbauplatte, den Vorrichtungen oder Aufspannvorrichtungen fixiert. Zusätzlich durchlaufen viele Metalle beim Abkühlen ausgehend von der Flüssigkeit eine Phasenänderung, was zu zusätzlichen Spannungen führt.In the best ALM process of the prior art, if desired, the powder is completely melted by the selective application of a source of energy (typically a laser or an electron beam) and then solidifies to form, layer by layer, a metal part of maximum density is generated, which corresponds to a sliced design file. Since the powder is completely melted and many metals and alloys have a high coefficient of thermal expansion, the part as produced has significant internal stresses and the part is preserved to maintain dimensional accuracy by a mounting plate or fixtures and fixtures during assembly and during a subsequent heat treatment to substantially completely eliminate these stresses prior to removal from the mounting plate, fixtures or jigs. In addition, many metals undergo a phase change upon cooling from the liquid, resulting in additional stresses.
Bei manchen Legierungen – insbesondere Superlegierungen auf Nickelbasis – ist die innere Spannung jedoch ausreichend, um ein Reißen des Teils entweder während des ALM-Verfahrens oder während der anschließenden Entspannungswärmebehandlung zu verursachen. Beispielsweise zeigt ein bedeutender Teil von Nickel-Superlegierungen mit gamma'-Legierungselementen dieses Verhalten und es ist bekannt, dass diese Superlegierungen mit herkömmlichen Verfahren nur schwer bearbeitet werden können und häufig als „nicht schweißbar” klassifiziert werden. Diese Legierungen sind auch von signifikantem wirtschaftlichen Interesse, da sie für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen – wie z. B. in Verbrennungskomponenten in Motoren verbreitet verwendet werden und häufig nur gegossen werden können und nur schwer oder unmöglich zu reparieren sind.However, for some alloys - especially nickel base superalloys - the internal stress is sufficient to cause the part to crack either during the ALM process or during the subsequent stress relief treatment. For example, a significant portion of nickel superalloys containing gamma prime alloying elements exhibit this behavior and it is known that these superalloys are difficult to process by conventional methods and are often classified as "non-weldable". These alloys are also of significant commercial interest, as they are suitable for very high temperature applications - e.g. B. in combustion components in engines used and often can only be cast and are difficult or impossible to repair.
Die Lösung des Standes der Technik besteht darin, dem Bereich des schmelzenden Metalls Wärme zuzuführen, um ein thermisches Ungleichgewicht des festen Metalls, das bereits gebildet worden ist und sich verfestigt hat, zu minimieren. In dem Fall von Metallen mit einer niedrigeren Schmelztemperatur, wie z. B. Titan, kann dies eine in der Praxis pragmatische Lösung sein, jedoch ist es für die interessierenden Superlegierungen, insbesondere Superlegierungen auf Nickelbasis, entweder praktisch oder wirtschaftlich nachteilig, das Teil zu erwärmen, und zwar aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen und auch der Zeit, für welche die Temperatur angewandt werden muss, und des kontrollierten Abkühlens, um eine ausreichende Spannungsverminderung und keine Rissbildung zu erhalten.The solution of the prior art is to add heat to the area of the melting metal in order to minimize thermal imbalance of the solid metal that has already formed and solidified. In the case of metals with a lower melting temperature, such. Titanium, this may be a pragmatic solution in practice, but for the superalloys of interest, particularly nickel-based superalloys, it is either practically or economically disadvantageous to heat the part due to the high temperatures and time required; for which the temperature must be applied, and controlled cooling to obtain sufficient stress reduction and cracking.
Bourell, 5,296,062, beschreibt die Verwendung eines „Pulvers, das Teilchen eines ersten Materials umfasst, die mit einem zweiten Material beschichtet sind, wobei das zweite Material eine niedrigere Erweichungstemperatur als das erste Material aufweist.”Bourell, 5,296,062, describes the use of a "powder comprising particles of a first material coated with a second material, the second material having a lower softening temperature than the first material."
Bampton beschreibt in
Bampton beschreibt dann ein Gemisch von drei Pulverbestandteilen, welches das gewünschte Grundmetall, das gleiche Grundmetall mit einem Mittel zur Schmelzpunkterniedrigung und ein Polymerbindemittel umfasst, wobei die Schichten durch „lokales Laserschmelzen des Polymerbestandteils des Pulvers, der sich schnell wieder verfestigt, so dass die Metallteilchen des Pulvers mit verbindenden Einschnürungen oder Brücken gebunden werden,” aufgebaut werden. Das Bindemittel wird dann in einem Ofen beseitigt, wodurch ein Teil mit einer geringen Festigkeit erzeugt wird, das während eines Übergangsflüssigkeitssinterprozesses (im Allgemeinen) eine vorübergehende Unterstützung von z. B. einem Keramikpulver benötigt.Bampton then describes a mixture of three powder constituents comprising the desired parent metal, the same parent metal with a melting point depressant, and a polymer binder, which layers are "locally laser melted the polymer constituent of the powder which rapidly re-solidifies so that the metal particles of the polymer Powder tied with connective constrictions or bridges, "be built. The binder is then removed in an oven to produce a low strength part which, during a transient liquid sintering process (generally), provides temporary support to e.g. B. a ceramic powder needed.
Es ist auch bekannt (
Entsprechend beschreibt
In Hede,
Hede beschreibt Versuche mit Werkzeugstählen, die zu „einer martensitischen Schicht mit einer hohen Härte und inneren Spannungen, die es schwierig (unmöglich) machen, die abgeschiedene Schicht mit einem Schaber zu glätten, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird” führen und wobei „ein großes Risiko einer Rissbildung besteht”. Hede describes experiments with tool steels that result in "a martensitic layer with a high hardness and internal stresses that make it difficult (impossible) to smooth the deposited layer with a scraper before the next layer is applied" and "a large one Risk of cracking exists ".
Hede beschreibt dann die Verwendung von Ausscheidungshärtungslegierungen auf Eisen- und Kupferbasis, die „ein weiches Material direkt nach dem Lasersintern ergeben ... wobei die gewünschte Härte dann stattdessen durch ein Ausscheidungshärten ... nach dem Lasersintern erreicht werden konnte.” Eisenlegierungen und insbesondere ein martensitaushärtender Stahl und ein rostfreier 17-4PH-Stahl sind beschrieben. Während der martensitaushärtende Stahl 18NiMAR250 getestet worden ist, fährt Hede damit fort, spekulativ in umfassender Weise auch 17-4PH als ein Beispielmaterial einzubeziehen, das einer Ausscheidungshärtung unterliegt.Hede then describes the use of iron and copper based precipitation hardening alloys which "yield a soft material just after laser sintering ... where the desired hardness could be achieved instead by precipitation hardening ... after laser sintering." Ferroalloys, and more particularly Maraging steel and a 17-4PH stainless steel are described. While the martensite hardening steel 18NiMAR250 has been tested, Hede continues to speculatively broadly include 17-4PH as a sample material subject to precipitation hardening.
Zu dem gegenwärtigen Zeitpunkt (2011) ist eine rostfreie 17-4PH-Stahllegierung eines der am meisten verwendeten Metallpulver in einer Laser-selektiven Lasersinteranlage und dies war über viele Jahre der Fall. Die Anmelder nutzen diese in ihrem Unternehmen auf einer täglichen Basis. Bereits 2006 wurde sie vielfach (z. B. durch die EOS GmbH) als „ausscheidungshärtend” beschrieben, jedoch wurde durch die Anmelder gefunden, dass ein 17-4PH-Legierungspulver nach dem Verarbeiten in der handelsüblichen EOS M270-Maschine tatsächlich keiner Ausscheidungshärtung unterliegt und das 17-4-Pulver wird nicht länger als ausscheidungshärtendes Pulvermaterial vermarktet. Es liegt hier klar ein neues Gebiet vor, in dem umfangreiche Spekulationen nicht als gute Orientierungshilfe bezüglich des Leistungsvermögens von Materialien bei einer selektiven Laserverarbeitung und bei Wärmebehandlungen nach dem Aufbau dienen können.At the present time (2011), a 17-4PH stainless steel alloy is one of the most widely used metal powders in laser-selective laser sintering, and has been the case for many years. The applicants use these in their company on a daily basis. Already in 2006, it was often described (eg by EOS GmbH) as "precipitation-hardening", but it was found by the applicants that a 17-4PH alloy powder actually does not undergo precipitation hardening after processing in the commercial EOS M270 machine and the 17-4 powder is no longer marketed as precipitation hardening powder material. There is clearly a new field in which extensive speculation can not serve as a good guide to the performance of materials in selective laser processing and post-build heat treatments.
Tegal,
Die Offenbarung beschreibt das Lasersintern eines Pulvermaterials, das ein Gemisch aus mindestens zwei Pulverelementen umfasst und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Pulvergemisch durch Eisenpulver als die Hauptkomponente und durch weitere Pulverlegierungselemente gebildet wird, die in einer elementaren, vorlegierten oder teilweise legierten Form vorliegen, und dass aus diesen Pulverelementen im Laufe des Lasersinterprozesses eine Pulverlegierung resultiert.The disclosure describes the laser sintering of a powder material which comprises a mixture of at least two powder elements and which is characterized in that the powder mixture is formed by iron powder as the main component and by further powder alloying elements which are in an elemental, pre-alloyed or partially alloyed form, and that powder alloy results from these powder elements in the course of the laser sintering process.
Tegal betont dies weiter dadurch, dass er sagt, dass die Pulverlegierungskomponenten während des Lasersinterprozesses innerhalb von Millisekunden zu einer Pulverlegierung umgewandelt werden, aus der die Komponente besteht. Jedwede nachfolgenden Behandlungen sind so beschrieben, dass es sich um eine Homogenisierung, ein Entspannungsglühen, eine Wärmebehandlung, eine Verminderung von inneren Defekten und eine Verbesserung der Oberflächenqualität handelt.Tegal further emphasizes this by saying that during the laser sintering process, the powder alloy components are converted within milliseconds to a powder alloy that makes up the component. Any subsequent treatments are described as homogenization, flash annealing, heat treatment, reduction of internal defects, and surface quality improvement.
Es sollte beachtet werden, dass der Stand der Technik seit dem Einreichen dieser Offenbarung im Jahr 2000 beträchtlich fortgeschritten ist und mit einer Anlage der heutigen Generation (die ein vollständiges Schmelzen anstelle eines Sinterns des Metallpulvers bewirkt) eine Porosität in einem Ausmaß, wie es von Tegal beschrieben worden ist, nicht mehr länger ein Problem ist.It should be noted that the prior art has considerably advanced since the filing of this disclosure in 2000, and with a present-generation plant (which effects complete melting instead of sintering the metal powder) has porosity to the extent that Tegal has been described, is no longer a problem.
In einem Aspekt besteht die Erfindung aus
einem Verfahren zum Bilden eines Gegenstands, umfassend:
- (i) Bilden einer Schicht eines Gemischs aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallpulvern, die so ausgewählt sind, dass sie dann, wenn sie vereinigt werden, chemisch in den Anteilen einer Superlegierung vorliegen, die eine gamma'-Phase enthält,
- (ii) lokales Schmelzen der Pulver ohne Diffusion zur Festlegung der Gestalt eines Teils des Gegenstands, so dass die Materialien der unterschiedlichen Metallpulver im Wesentlichen chemisch getrennte Bildungsbereiche mit einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung bleiben,
- (iii) Wiederholen der Schritte (i) und (ii), bis der abgeleitete Gegenstand ausgebildet ist, und
- (iv) Wärmebehandeln des fertigen Gegenstands, so dass mindestens eines der unterschiedlichen getrennten Materialien zur Bildung einer gamma'-Phase-enthaltenden Superlegierung mit dem anderen der unterschiedlichen getrennten Materialien diffundiert.
a method of forming an article, comprising:
- (i) forming a layer of a mixture of at least two different metal powders selected so that when combined they are chemically present in the proportions of a superalloy containing a gamma prime phase,
- (ii) locally melting the powders without diffusion to define the shape of a portion of the article such that the materials of the different metal powders remain substantially chemically distinct regions of formation having a different chemical composition,
- (iii) repeating steps (i) and (ii) until the derived article is formed, and
- (iv) heat treating the finished article such that at least one of the different discrete materials diffuses to form a gamma prime phase-containing superalloy with the other of the different discrete materials.
Folglich müssen bei den Verfahren und Materialien, die wir hier beschreiben, im Gegensatz z. B. zu Tegal kein beschichtetes Pulver, keine Polymere enthalten sein oder sie erfordern nicht die Bildung eines porösen Zustands oder „Grün”-Zustands vor nachfolgenden Wärmebehandlungen. Wir versuchen nicht, ein Porositätsproblem zu lösen, das sich aus dem Sintern (nicht Schmelzen) des Metallpulvers ergibt. Wir erzeugen eine Superlegierung und kein „weiches” Material oder eine ausscheidungshärtende Legierung auf Eisen- oder Kupferbasis, die nachfolgend ausscheidungsgehärtet wird. Wir setzen kein Mittel zur Schmelzpunkterniedrigung zu oder verwenden ein solches, wie z. B. Bor oder Graphit (Kohlenstoff), um das Verfahren der Erfindung zu erhalten. Wir bilden auch nicht die Legierung während des Laser-„Sinter”-Prozesses – wir bilden die Legierung explizit nicht währenddessen, da dies zu einem Versagen führen würde, da die Legierung, die gebildet werden soll, in dem Laserprozess einer Rissbildung unterliegen wird. Wir bilden die Legierung während eines anschließenden Wärmebehandlungszyklus.Consequently, in the processes and materials we describe here, in contrast to e.g. For example, Tegal does not contain a coated powder, polymers, or they do not require the formation of a porous state or "green" state prior to subsequent heat treatments. We do not try to solve a porosity problem resulting from sintering (not melting) the metal powder. We produce a superalloy and not a "soft" material or a precipitation-hardening iron or copper based alloy that is subsequently precipitation hardened. We do not use a means of lowering the melting point or use such, such. Boron or graphite (carbon) to obtain the process of the invention. We also do not form the alloy during the laser "sintering" process - we do not explicitly form the alloy during this because it would lead to failure because the alloy to be formed will crack in the laser process. We form the alloy during a subsequent heat treatment cycle.
Die Erfindung besteht auch aus einem Metallpulver zur Schichtverarbeitung, das chemisch die Elemente einer gamma'-bildenden Superlegierung minus eines wesentlichen Teils von einem ihrer gamma'-bildenden Legierungselemente umfasst. Die Legierung kann allgemein eine Legierung auf Nickelbasis sein und das gamma'-bildende Element kann im Allgemeinen Aluminium sein. Bekannte gamma'-gehärtete Superlegierungen umfassen: Inconel 713C, Inconel 100, MAR M247, MAR M200, Inconel 738, RR1000, UDIMET 500, Inconel 939, Unimet 720, MAR M002, CMSX-4, Haynes 282, Rene 41.The invention also consists of a metal powder for layer processing which chemically comprises the elements of a gamma prime-forming superalloy minus a substantial portion of one of its gamma-forming alloying elements. The alloy may generally be a nickel based alloy and the gamma prime forming element may be generally aluminum. Known gamma-hardened superalloys include: Inconel 713C, Inconel 100, MAR M247, MAR M200, Inconel 738, RR1000, UDIMET 500, Inconel 939, Unimet 720, MAR M002, CMSX-4, Haynes 282, Rene 41.
Dieses Metallpulver kann allein oder als Gemisch vorliegen, das dieses Metallpulver gemischt mit einem zweiten Pulver umfasst, das chemisch dessen gamma'-bildenden Elemente umfasst, so dass sie zusammen ein nicht-homogenes physikalisches Gemisch von Pulvern bilden. Dieses Gemisch von Pulvern kann dann chemisch einer anerkannten Nickel-Superlegierung entsprechen. Das zweite Pulver kann Aluminium und auch Titan enthalten und könnte zweckmäßig Titanaluminid (TiAl, TiAl3, Ti3Al) sein.This metal powder may be alone or in admixture comprising this metal powder mixed with a second powder chemically comprising its gamma-forming elements so that together they form a non-homogeneous physical mixture of powders. This mixture of powders can then chemically correspond to a recognized nickel superalloy. The second powder may contain aluminum as well as titanium and may suitably be titanium aluminide (TiAl, TiAl3, Ti3Al).
Die Anmelder haben erkannt, dass sie durch die Verwendung eines lokal wirkenden Lasers zum Zusammenschmelzen der gewünschten Teile des Materials zur Bildung der Gestalt einer Schicht des Gegenstands eine effektive Matrix in der Gestalt des vorgesehenen Gegenstands aus einem Pulver der Komponente des Gemischs und durch Halten des anderen Pulverbestandteils in einer im Wesentlichen chemisch getrennten Weise aufbauen können. Folglich können sie durch Auswählen des Pulvers, das die Matrix bildet, d. h., der Pulverhauptmasse, derart, dass es sich um ein Pulver handelt, das keine hohen inneren Spannungen aufweist, die eine Rissbildung induzieren, einen Gegenstand bilden, der entweder während des ALM-Aufbaus bei der Entfernung von der Grundplatte und/oder während einer ersten Wärmebehandlung zum Entspannen des Gegenstands nicht leicht einer Rissbildung unterliegt.Applicants have recognized that by using a locally acting laser to fuse together the desired portions of the material to form the shape of a layer of the article, they form an effective matrix in the form of the intended article of one powder of the component of the mixture and holding the other Powder component can build in a substantially chemically separate manner. Thus, by selecting the powder forming the matrix, i. that is, the bulk of the powder, such that it is a powder that does not have high internal stresses that induce cracking, form an article that is subject to removal either from the baseplate during and / or during the ALM assembly first heat treatment to relax the article is not likely to crack.
Folglich umfasst das Gemisch von Pulvern in einer bevorzugten Ausführungsform eine Pulverkomponente, die über 50% des Gemischs ausmacht und folglich die Matrixhauptmasse des Gegenstands bildet. Vorzugsweise macht die Komponente über 60 Gew.-% des Gemischs aus. In einigen Ausführungsformen kann die Komponente Nickel sein oder in anderen Ausführungsformen kann die Hauptkomponente Nickel und Chrom sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Hauptkomponente Eisen umfassen oder aus diesem bestehen.Thus, in a preferred embodiment, the mixture of powders comprises a powder component which makes up over 50% of the mixture and thus forms the matrix bulk of the article. Preferably, the component comprises over 60% by weight of the mixture. In some embodiments, the component may be nickel, or in other embodiments, the major component may be nickel and chromium. In further embodiments, the main component may comprise or consist of iron.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Diffusion im Schritt (iv) durch eine Festkörperdiffusion statt.In a preferred embodiment, the diffusion takes place in step (iv) by a solid state diffusion.
Wie es vorstehend erwähnt worden ist, kann das Verfahren auch das Entspannen des Gegenstands durch eine Wärmebehandlung vor dem Schritt (iv) umfassen.As mentioned above, the method may also include relaxing the article by a heat treatment prior to step (iv).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Bildung einer Superlegierung vorgesehen, die einen Zusatz x bei einer Konzentration C enthält. Das Verfahren kann das Mischen von zwei Pulvern A und B, wobei A der vorgesehene Hauptbestandteil der Superlegierung ist, der eine Konzentration eines Zusatzes x aufweist, wobei x = (Cx)A, und so ausgewählt ist, dass eine Verarbeitung ohne Rissbildung möglich ist, und wobei das Pulver B ein Nebenbestandteil der vorgesehenen Legierung mit einer Konzentration von x = (Cx)B ist; das Zusammenmischen der Pulver A und B, so dass B ein Anteil von f der Gesamtmenge ist, so dass Cx = f(Cx)B + (1 – f)·(Cx)A ist, und wobei (Cx)B > (Cx)A ist, umfassen.In a particularly preferred embodiment, the formation of a superalloy is provided which contains an additive x at a concentration C. The method may include mixing two powders A and B, wherein A is the intended major constituent of the superalloy, having a concentration of an additive x, where x = (C x ) A , and is selected to allow processing without cracking and wherein the powder B is a minor component of the intended alloy with a concentration of x = (C x ) B ; mixing together the powders A and B such that B is a fraction of f of the total, such that C x = f (C x ) B + (1-f) * (C x ) A , and where (C x ) B > (C x ) A is included.
Jedes der Pulver kann während des Schritts (ii) lokal geschmolzen werden. Die Pulver können aus Materialien ausgewählt werden, die bezüglich einer Spannungsrissbildung weniger empfindlich sind als die vorgesehene Legierung. Die vorgesehene Legierung kann eine Superlegierung auf Nickelbasis sein. Die Legierung kann einen Zusatz x umfassen, der Aluminium oder Titan oder beides sein kann. X kann mehr als 4 Gew.-% des Pulvers bilden.Each of the powders may be locally melted during step (ii). The powders may be selected from materials that are less susceptible to stress cracking than the intended alloy. The proposed alloy may be a nickel-base superalloy. The alloy may comprise an additive x, which may be aluminum or titanium or both. X can form more than 4% by weight of the powder.
In einem anderen Aspekt besteht die Erfindung aus dem Auswählen und Mischen von zwei oder mehr Pulverzusammensetzungen, die zusammen chemisch die Anteile einer gewünschten Superlegierung ergeben, und dem Durchführen eines Schichtaufbauprozesses mit diesem Gemisch, so dass sie vollständig schmelzen, um ein im Wesentlichen dichtes Metallgemisch zu bilden, bei dem es sich nicht um die gewünschte Superlegierung handelt und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine ausreichend geringe Spannung aufweist, so dass es während des Aufbaus oder von anschließenden Wärmebehandlungen keiner Rissbildung unterliegt, und dem Wärmebehandeln des Metallgemischs zur Bildung der gewünschten Superlegierung ohne Rissbildung.In another aspect, the invention consists of selecting and mixing two or more powder compositions which together chemically give the proportions of a desired superalloy, and performing a lamination process with that mixture so that they completely melt to form a substantially dense metal mixture which is not the desired superalloy and which is characterized by having a sufficiently low stress such that it does not crack during construction or subsequent heat treatments and heat treating the metal mixture to form the desired superalloy without cracking.
Obwohl die Erfindung vorstehend definiert worden ist, sollte beachtet werden, dass sie jedwede erfindungsgemäße Kombination der vorstehend oder in der folgenden Beschreibung dargestellten Merkmale umfasst. Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen definiert, worin:Although the invention has been defined above, it should be noted that it represents any combination of the invention as described above or in the following description Features includes. The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Nunmehr geht der Erfinder davon aus, dass dieses Diagramm (und Rückschlüsse, die daraus gezogen werden) eine gute Orientierungshilfe dahingehend bereitstellt, welche Superlegierungen durch den Stand der Technik „rissfrei” thermisch ALM-verarbeitbar sind. Für die Zwecke dieser Analyse kann eine ALM auf thermischer Basis als eine Art von Schweißen angesehen werden. Es wird davon ausgegangen, dass dann, wenn die Aluminium- und Titan-Gesamtkonzentration einer bestimmten Legierung einen Schwellenwert übersteigt, der häufig als 4 Gew.-% angenommen wird, die Legierung „schwierig” zu schweißen ist, und dass es immer schwieriger wird, je mehr der Prozentsatz zunimmt.Now, the inventor believes that this diagram (and conclusions drawn therefrom) provides good guidance as to which superalloys are thermally ALM processable "crack-free" by the prior art. For the purposes of this analysis, a thermal based ALM may be considered as a type of welding. It is believed that if the aluminum and titanium total concentration of a given alloy exceeds a threshold, which is often assumed to be 4% by weight, the alloy is "difficult" to weld and it becomes increasingly difficult to weld; the more the percentage increases.
Die
Folglich hat der Erfinder die folgenden neuen Möglichkeiten erkannt:
- 1] Das Auswählen und das Mischen von zwei oder mehr Pulverzusammensetzungen, die chemisch zusammen die Anteile der gewünschten Superlegierung ergeben
- 2] Schichtaufbauverarbeitung dieses Gemischs von Pulvern, wobei sie vollständig schmelzen, um ein Metall-„Gemisch” mit einer im wesentlichen Dichte zu bilden, das nicht die gewünschte Superlegierung ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine ausreichend geringe Spannung aufweist, so dass es während des Aufbaus oder nachfolgender Wärmebehandlungen keiner Rissbildung unterliegt
- 3] Wärmebehandlungen des Metallgemischs zur Bildung der gewünschten Superlegierung ohne Rissbildung
- 1] Selecting and mixing two or more powder compositions that together chemically give the proportions of the desired superalloy
- 2] Stratification processing of this mixture of powders, where they melt completely to form a metal "mixture" having a substantially density which is not the desired superalloy and characterized by having a sufficiently low stress such that it has is not cracked during construction or subsequent heat treatments
- 3] Heat treatments of the metal mixture to form the desired superalloy without cracking
Es sollte beachtet werden, dass die Spannungen, die durch einen thermischen ALM-Pulverbettprozess nahe bei Raumtemperatur erzeugt werden, derart sind, dass eine beachtliche Grundplatte erforderlich ist, die typischerweise 20 kg wiegt, um einer mechanischen Relaxation zu widerstehen, die durch die Spannung, welche durch den Aufbau erzeugt worden ist, verursacht wird. Dies erschwert eine weitere thermische Verarbeitung signifikant, da sie signifikant zur thermischen Masse beiträgt. Es ist daher ein Verfahren erwünscht, das es ermöglicht, dass das Teil vor Hochtemperaturwärmebehandlungen und komplizierten Wärmebehandlungen rissfrei von einer Grundplatte oder von Vorrichtungen und Aufspannvorrichtungen entfernt werden kann.It should be noted that the stresses generated by a thermal ALM powder bed process close to room temperature are such as to require a substantial baseplate typically weighing 20 kg to withstand mechanical relaxation caused by stress, which has been generated by the structure is caused. This significantly complicates further thermal processing as it contributes significantly to thermal mass. Therefore, a method is desired which allows the part to be removed from a base plate or jigs and jigs without cracking before high-temperature heat treatments and complicated heat treatments.
In einer speziellen Ausführungsform weist das Pulver A eine chemische Elementzusammensetzung auf, die etwa einer „leicht zu verarbeitenden” Legierung entspricht, wobei es sich im Allgemeinen um den Hauptbestandteil des Pulvergemischs handelt. Das Pulver B weist andererseits eine chemische Zusammensetzung von Elementen auf, die derart ist, dass dann, wenn es mit dem Pulver A in dem richtigen Verhältnis gemischt wird, eine chemische Gesamtzusammensetzung von deren Elementen resultiert, die derjenigen der gewünschten fertigen Superlegierung entspricht. Wenn wir folglich Teile aus einer Superlegierung herstellen wollen, die ein Zusatzelement x bei einer Konzentration Cx enthält, würden wir zwei Pulver A und B mischen. Das Pulver A, bei dem es sich um den Hauptbestandteil handelt, würde eine geringere Konzentration des Elements x, (Cx)A, aufweisen, so dass es ohne Rissbildung verarbeitet werden könnte. Dieses wird nachstehend als „Pulverhauptmasse” bezeichnet. Das Pulver B, bei dem es sich um den Nebenbestandteil handelt, hätte eine höhere Konzentration des Elements x, (Cx)B, und würde mit dem Pulver A so gemischt werden, dass es in einem Anteil f der Gesamtmenge vorliegt, so dass:
Während der ALM-Verarbeitung wird sowohl das Pulver A als auch das Pulver B vollständig geschmolzen, würden diese jedoch aufgrund der kurzen Zeit, für die sie in der flüssigen Phase vorliegen, als im Wesentlichen getrennte Bereiche mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen vorliegen. During ALM processing, both powder A and powder B are completely melted, but because of the short time they are in the liquid phase, would be present as substantially separate regions having different chemical compositions.
Wenn in einer Legierung mehrere Zusatzelemente verwendet werden, dann kann das Dotierstoffpulver die geeigneten Konzentrationen von jedem davon aufweisen. Alternativ können weitere Dotierstoffpulver zugemischt werden, wobei jeweils ein anderes Element eingebracht wird. Es ist klar, dass es manchmal vorteilhaft sein könnte, die Gesamtmenge eines bestimmten Zusatzelements in ein Dotierstoffpulver einzubringen. Ferner könnte als Grenzfall ein Dotierstoffpulver ein reines Zusatzelement sein.If several additional elements are used in an alloy, then the dopant powder may have the appropriate concentrations of each of them. Alternatively, further dopant powders can be added, wherein in each case another element is introduced. It is clear that it might sometimes be advantageous to incorporate the total amount of a particular additive element in a dopant powder. Furthermore, as a limiting case, a dopant powder could be a pure additive element.
Die resultierende Struktur in dem mittels ALM gebildeten Teil wird eine Struktur aus isolierten Inseln von Material mit der ungefähren Zusammensetzung des Dotierstoffpulvers umgeben von einer Matrix aus Material sein, das die ungefähre Zusammensetzung der Pulverhauptmasse aufweist. Da die mechanischen Eigenschaften und die inneren Spannungen von der Pulverhauptmasse dominiert werden, kann das resultierende Material ohne Rissbildung mittels ALM aufgebaut und wärmebehandelt werden. Es sollte beachtet werden, dass das Teil, so wie es aufgebaut worden ist, vollständig geschmolzen ist, eine wesentliche Dichte aufweist und chemisch der gewünschten Superlegierung entspricht, jedoch nicht in der Mikrostruktur der gewünschten Superlegierung vorliegt. Die Mikrostruktur wird durch einen getrennten Prozess einer zweiten Stufe durch eine Wärmebehandlung erzeugt.The resulting structure in the part formed by ALM will be a structure of isolated islands of material having the approximate composition of the dopant powder surrounded by a matrix of material having the approximate composition of the bulk powder of the powder. Since the mechanical properties and internal stresses are dominated by the powder bulk, the resulting material can be built and heat treated without cracking by ALM. It should be noted that the part as it is built up is completely molten, has a substantial density, and chemically corresponds to the desired superalloy, but is not present in the microstructure of the desired superalloy. The microstructure is generated by a separate second stage process by a heat treatment.
Es ist bekannt, dass Pulvergemische manchmal bei einem ALM z. B. zur Herstellung von Formwerkzeugen mittels Lasersintern hergestellt werden – bei einem derartigen Verfahren handelt es sich um Direktmetall-Lasersintern. Es sollte beachtet werden, dass solche Sinterverfahren das Material nicht vollständig schmelzen, das Material nicht die maximale Dichte aufweist und Wärmebehandlungen nicht eingesetzt werden, um eine Hochleistungssuperlegierung zu bilden – die Verwendung des Begriffs „direkt” zeigt, dass weitere Wärmebehandlungen nicht erforderlich sind, um das gewünschte Material zu bilden.It is known that powder mixtures sometimes occur in an ALM z. B. for the production of molds are produced by means of laser sintering - in such a method is direct metal laser sintering. It should be noted that such sintering processes do not completely melt the material, the material does not have the maximum density and heat treatments are not used to form a high performance superalloy - the use of the term "direct" indicates that further heat treatments are not required to form the desired material.
In der Erfindung wird dann eine nachfolgende Wärmebehandlung (einstufig oder mehrstufig) eingesetzt, um zu bewirken, dass der Zusatz x aus den Dotierstoffinseln, die eine hohe Konzentration aufweisen, in die Masse mit niedrigerer Konzentration herausdiffundiert, was zu einer Superlegierung mit der erforderlichen Mikrostruktur mit z. B. der charakteristischen Ausscheidung der fertigen Legierung und insbesondere der gamma'-Ausscheidungen führt.In the invention, a subsequent heat treatment (single-stage or multi-stage) is then employed to cause the additive x from the dopant islands, which have a high concentration, to diffuse out into the lower concentration composition, resulting in a superalloy with the required microstructure z. B. the characteristic excretion of the finished alloy and in particular the gamma'-precipitates leads.
Eine geeignete Wärmebehandlung kann Lösungs- und Alterungsschritte umfassen. Als erstes werden die gamma'-Ausscheidungen, topologisch dicht gepackte Phasen und Carbide in der gamma-Matrix gelöst und dann wird eine Alterung durchgeführt, um die Ausscheidungen und Carbide in den gewünschten Formen und Konfigurationen auszubilden. Auf diese Weise wird ein Teil aus der Hochleistungs-Superlegierung ohne Rissbildung erhalten.A suitable heat treatment may include solution and aging steps. First, the gamma prime precipitates, topologically close packed phases and carbides are dissolved in the gamma matrix and then aged to form the precipitates and carbides in the desired shapes and configurations. In this way, a part of the high-performance superalloy is obtained without cracking.
In einer bevorzugten Ausführungsform für den Zusatz sowohl von Aluminium als auch von Titan ist es zweckmäßig, eine geeignete Menge einer der Titanaluminid-Intermetallverbindungen zuzusetzen. Es wurde ein Experiment zum Nachweis des Prinzips durchgeführt, bei dem eine Pulverhauptmasse, die aus der Nickel-Superlegierung C263 hergestellt worden ist, verwendet wurde. Dieser wurden 4 Gew.-% TiAl3-Pulver zugesetzt. C263 ist eine gamma'-enthaltende Legierung mit mäßigen Konzentrationen von Aluminium und Titan. Sie wird im Allgemeinen als eine schweißbare Legierung erachtet und kann ohne Rissbildung mittels ALM verarbeitet werden. Der Zusatz von 4 Gew.-% TiAl3 bringt die Titan/Aluminium-Gesamtkonzentration in den Bereich der schwer schweißbaren Legierungen, wie z. B. C1023, die einer Rissbildung unterliegen, wenn sie mit ALM-Verfahren verarbeitet werden. Die Photomikrographie in der
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