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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Refraktärmetall-Bauteils, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Extrusionsmasse, welches ein Refraktärmetall-Pulver aus mindestens einem Refraktärmetall und/oder einer Verbindung davon sowie mindestens einen Binder aufweist; und Extrudieren der Extrusionsmasse. Die Erfindung betrifft auch ein mittels des Verfahrens hergestelltes Refraktärmetall-Bauteil. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Röntgenröhren oder Fusionsreaktoren, insbesondere für eine Oberfläche einer Röntgenanode bzw. eine Wand oder Strukturkomponenten eines Fusionsreaktors.
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Die dem Plasma zugewandten Oberflächen einer Röntgenanode oder die Oberflächen und Strukturkomponenten eines Fusionsreaktors erfahren neben hohen Temperaturen auch hohe mechanische, thermozyklische Belastungen, die zur Rissbildung oder auch einem Schmelzen der Materialien führen können. In beiden Anwendungen werden Refraktärmetalle, insbesondere Wolfram, verwendet.
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Zur Herstellung von planaren Bauteilen bei Wolframschwermetallegierungen ist der Foliengießprozess für Refraktärmetalle aus
WO 2007/147792 A1 bekannt.
WO 2007/147792 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von ebenen, geformten Gegenständen aus einer Wolfram- oder Molybdänschwermetallegierung, wobei daraus ein Schlicker zum Foliengießen hergestellt wird, aus dem Schlicker eine Folie gegossen wird und die Folie nach dem Trocknen entbindert und gesintert wird, um den geformten Gegenstand zu erhalten. Unter dem Begriff Wolframschwermetalllegierung oder Molybdänlegierung sind im Sinne der vorliegenden
WO 2007/147792 A1 Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolframschwermetalllegierungen, Wolfram, Wolframlegierungen, Molybdän und Molybdänlegierungen zu verstehen. Wolframschwermetalllegierungen bestehen zu etwa 90 Gew.-% bis etwa 97 Gew.-% aus Wolfram oder Wolframlegierungen. Der restliche Anteil sind Bindermetalle. Als metallische Binder werden vorrangig die Elemente Fe, Ni und/oder Cu in Anteilen größer 1 Massen-% genannt. Die metallischen Binder sorgen für vereinfachte Herstellungsprozesse durch niedrigere Sintertemperaturen, verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, und verbesserte Bearbeitbarkeit, wie z.B. eine bessere Zerspanbarkeit. Diese Werkstoffe zielen auf den Einsatz in Anwendungen zur Abschirmung von Strahlungen ab, wobei eine hohe Dichte der Legierungen im Vordergrund steht.
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GB 928 626 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines dichten, im Wesentlichen rissfreien und verzugsfreien Refraktärmetall-Bauteils mittels Kaltwalzens und Sinterns. Dazu kann reines Wolframpulver mit organischem Binder und Wasser gemischt und folgend unter Wärmezufuhr extrudiert werden, um eine Ausgangsmasse zum Kaltwalzen bereitzustellen. Das Extrudieren stellt hier also nur einen Schritt zum Herstellen einer formlosen Ausgangsmasse für das Kaltwalzen dar. Erst das Kaltwalzen stellt den Urformschritt dar, bei dem ein geformter Körper als fertiges Bauteil oder Halbzeug bereitgestellt wird. Die kaltgewalzte Ausgangsmasse wird folgend luftgetrocknet und dann gesintert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein unter punktuellen, thermischen Wechsellasten stabileres Refraktärmetall-Bauteil bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, durch eine isotrope, feinkörnige Mikrostruktur des Refraktärmetall-Bauteils zu erlangen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (im Folgenden auch „Refraktärmetall-Bauteil“ genannt), wobei das Verfahren (mindestens) folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Extrusionsmasse (Feedstock), welche ein Refraktärmetall-Pulver aus mindestens einem Refraktärmetall und/oder einer Verbindung davon („Refraktärmetallpulver“) sowie mindestens einen Binder aufweist; Extrudieren der Extrusionsmasse zu mindestens einem Grünkörper; und Wärmebehandeln des mindestens einen Grünkörpers.
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Durch das Extrudieren wird also ein fertiger Grünkörper oder ein Grünkörper als Halbzeug bereitgestellt. Der Grünkörper als Halbzeug kann weiter geformt werden, z.B. gebogen, zugeschnitten usw. werden, ist aber im Gegensatz zu
GB 928 626 A keine formlose Masse, sondern ein Körper mit definierter, vorbestimmter Form. Zwischen dem Extrudieren und dem Wärmebehandeln wird kein weiterer Urformungsschritt mehr durchgeführt, insbesondere kein Walzen, insbesondere kein Kaltwalzen. Es kann sich dem Schritt des Extrudierens also ein Schritt eines Formgebens des Grünkörpers anschließen.
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Das Verfahren weist den Vorteil auf, dass sich damit (z.B. im Gegensatz z.B. zu einem Walzverfahren) homogene, isotrope, feinkörnige und spannungsarme Mikrostrukturen des endgültigen Refraktärmetall-Bauteils mit einer eng verteilten und feinen Korngrößenverteilung herstellen lassen. Dies mag insbesondere auch mit einer isotropen Kristallorientierung verbunden sein. Unter Umständen ist auch die Einstellung z.B. einer bimodalen Korngrößenverteilung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften gewünscht und dann mittels des Verfahrens umsetzbar. Zusätzlich werden, z.B. im Gegensatz zu einem Walzverfahren, keine Texturen, geringere innere Spannungen und Fehlorientierungen der Körner im Material erreicht. Desweiteren wird über die Einstellung der Kornstruktur (Verteilung/ Größe) die Korngrenzeneigenschaft und in Summe das Bruchverhalten unter punktueller, thermozyklischer Belastung beeinflusst. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren ein Herstellen großflächiger Refraktärmetall-Bauteile und komplexer geformter Strukturen und/ oder Profile.
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Unter einem Refraktärmetallbauteil mag grundsätzlich jeder Körper oder auch Werkstück verstanden werden, der mittels des Verfahrens hergestellt worden ist.
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Unter einer Extrusionsmasse kann allgemein eine feststoffhaltige, viskose Suspension mit dem Refraktärmetallpulver als Feststoff verstanden werden, welche zur Durchführung des Extrudierens geeignet ist. Die Technik des Extrudierens ist grundsätzlich gut bekannt und braucht hier nicht weiter erklärt zu werden. Es sind grundsätzlich alle geeigneten Extrusionsverfahren anwendbar.
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Unter einem (Refraktärmetall-)Pulver aus mindestens einem Refraktärmetall und/oder einer Verbindung davon können insbesondere ein oder mehrere Pulver aus einem oder mehreren reinen Refraktärmetallen (z.B. Wolfram und/oder Molybdän), Legierungen davon (z.B. Wolfram-Rhenium, WRe) und/oder Verbindungen davon verstanden werden. Das Refraktärmetallpulver mag beispielsweise Wolfram, Molybdän, Rhenium und/oder Tantal und/oder Legierungen davon und/oder Verbindungen davon umfassen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass ein Verarbeiten des mindestens einen Refraktärmetallpulvers unter Sauerstoffausschluss erfolgt, z.B. unter einer Schutzgasatmosphäre, reduzierender Atmosphäre oder unter Vakuum. Dies verhindert eine Oxidation des Refraktärmetallpulvers.
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Der Binder kann grundsätzlich jegliches organische und/oder nicht-organische Bindemittel bzw. Bindemittel aufweisen. Das Bindemittel bindet das Refraktärmetallpulver funktional ähnlich einem Kleber. Bevorzugt werden organische Bindemittel, z.B. Polvvenylbutyral.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Extrusionsmasse zusätzliche Additive wie Dispergiermittel, Plastifizierer, Lösemittel usw. aufweist. Darüber lassen sich insbesondere eine Viskosität der Extrusionsmasse bzw. des Feedstocks und die Eigenschaften des Grünkörpers (z.B. dessen Festigkeit und/oder Verformungsvermögen) beeinflussen.
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Ein Dispergator sorgt dafür, dass das Benetzungsverhalten der Partikel des Refraktärmetallpulvers verbessert und eine Agglomeratbildung unterbunden wird. Das Lösemittel, z.B. Ethanol und/oder Toluol, löst organische Komponenten, insbesondere des Binders. Über eine Beimischung eines Plastifizierers kann die Flexibilität und Festigkeit des Grünkörpers und somit seine Handhabbarkeit eingestellt werden. Über verschiedene Misch- und Mahlprozesse wird eine homogene Extrusionsmasse erzeugt. Es kann notwendig sein, die Extrusionsmasse vor dem Extrudieren zu entgasen, um eine Blasenbildung in der Extrusionsmasse zu vermeiden.
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Zur Aufbereitung der Extrusionsmasse kann beispielsweise eine Mischung der einzelnen Pulver in einem Taumelmischer, in Kugelmühlen, usw. erfolgen.
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Das Extrudat mag insbesondere zur weiteren Verarbeitung formstabil sein.
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Die Form des Grünkörpers ist nicht beschränkt und mag beispielsweise ein Profil (z.B. ein Rohr), eine Grünschicht usw. umfassen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Extrudieren ein Extrudieren einer Grünschicht umfasst. Dadurch können ohne weitere Nachbehandlung (z.B. Walzen) auch großflächige Halbzeuge oder Bauteile hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Extruderdüse entsprechend geformt sein und z.B. eine schlitz- oder spaltartige Ausgabeöffnung aufweisen. Die Grünschicht mag aber auch auf andere Weise hergestellt sein, z.B. durch Extrudieren einer mehrschichtigen Wand eines komplexen Bauteils.
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Es ist auch eine Weiterbildung, dass eine Dicke des (einzeln) extrudierten Grünkörpers ca. zwanzig Mikrometer bis ca. drei Millimeter beträgt. Dadurch kann eine ausreichend hohe Dicke zur Unterbringung mehrerer Körner des Refraktärmetallpulvers bereitgestellt werden. Zudem kann so eine ausreichende Homogenität der einzelnen Schlickerbestandteile über die Dicke sichergestellt werden. Die Dicke mag beispielsweise eine Schichtdicke einer Grünschicht oder eine Wandstärke eines Rohrs oder einer Schicht des Rohrs sein. Jedoch ist die Schichtdicke grundsätzlich nicht beschränkt.
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Es ist eine Weiterbildung, dass eine Dicke des (einzeln) extrudierten Grünkörpers mindestens ca. dem fünffachen bis zehnfachen der größten Partikel des mindestens einen Refraktärmetallpulvers und/oder Keramikpulvers entspricht. Dadurch wird vermieden, dass über die Dicke nur durch wenige Körner aufgebaut wird. Dies wiederum verbessert eine Bruchfestigkeit.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Extrusionsmasse / der Feedstock auf eine Trägerfolie extrudiert wird. Dies erleichtert eine Handhabung des Extrudats, insbesondere dünnen Extrudats, beispielsweise dessen Formgebung und/oder Stapelung. Die Trägerfolie kann anschließend abgezogen werden, z.B. vor einer thermischen Behandlung.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass mehrere (zwei oder mehr) Grünschichten aufeinander gestapelt (z.B. laminiert und/oder isostatisch verpresst) werden. Die Grünschichten können separat hergestellt sein oder einen Teil einer komplexeren Geometrie, z.B. eines Rohrs, darstellen. Durch den sich so ergebenden Schichtstapel können insbesondere großflächige Gegenstände mit hoher Schichtdicke in einem Arbeitsgang gesintert werden. Zudem kann so eine hohe (grundsätzlich unbegrenzte) Dicke des Refraktärmetall-Bauteils mit konstanter Materialdichte erreicht werden. Dabei ist es möglich, mehrere Schichten, auch unterschiedlicher Eigenschaft (chemische Zusammensetzung, Dichte, usw.) mittels mehrerer Extrusionsdüsen/Extruder übereinander zu extrudieren.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass sich mindestens zwei Grünschichten des Schichtstapels in ihren Eigenschaften unterscheiden. Insbesondere können die thermo-mechanischen Eigenschaften und das Bruchverhalten des Schichtstapels konstruktiv angepasst werden. Des Weiteren ermöglicht ein solcher Schichtstapel die Herstellung von Verbindungszonen, welche eine Anbindung von Refraktärmetall an äußere Komponenten, wie einen Anodenträger oder einen Träger von Plasmakammerkomponenten im Fusionsreaktor, erlauben. Auch können Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten oder das Reaktionsverhalten an den Grenzflächen beeinflusst werden. Der Schichtstapel mag z.B. auch hier einen Teil einer komplexeren Geometrie darstellen, z.B. ein mehrschichtige Wand eines Grünkörpers, z.B. eines Rohrs.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Grünschichten des Schichtstapels einen Gradientenaufbau aufweisen. Über einen Gradientenaufbau kann der z.B. der Rissfortschritt und Spannungsgradient beeinflusst werden. Unter einer Eigenschaft mag insbesondere ein Gehalt an Refraktärmetall, eine Art und/oder Zusammensetzung des Refraktärmetalls oder einer Verbindung davon (z.B. ein Gehalt an W; Ta; Re; Mo usw.), ein Vorhandensein, eine Art und/oder ein Gehalt an Keramik, eine mikroskopische Struktur (z.B. eine Korngrößenverteilung), und/oder eine makroskopische Struktur (z.B. eine Größe der Pulverteilchen, eine Porosität usw.) verstanden werden. Beispielhaft kann ein Gradientenaufbau durch Schichtung von W-Schichten mit W/Re-Schichten erreicht werden, oder es wechseln sich dichte Wolfram-Schichten mit porösen Wolfram-Schichten ab. Die Porosität kann beispielsweise über die Sinteraktivität der Refraktärmetallpulver eingestellt werden. Das Gradientenmaterial kann sich insbesondere durch eine graduelle (insbesondere stufenweise) Änderung mindestens einer Eigenschaft der Schlickerschichten über die Stapeldicke des Schichtstapels auszeichnen. Der Schichtstapel kann grundsätzlich eben oder dreidimensional geformt, z.B. gekrümmt, sein.
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Es ist eine Weiterbildung, die extrudierten Schichten und Bauteile auf Komponenten/Träger aufzubringen und gemeinsam durch die anschließenden thermischen Prozesse zu führen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Extrusionsmasse metallbinderfrei ist, also kein metallisches Bindemittel aufweist. Das Fehlen des niedrig schmelzenden Metalls als Bindemittel kann insbesondere durch ein Fehlen von Metall, Mischungen oder Legierungen davon als eigenständiges Pulver in der Extrusionsmasse realisiert sein. Eine solche Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Materialeigenschaften des fertigen Refraktärmetall-Bauteils, insbesondere sein hoher Schmelzpunkt und seine Bruchfestigkeit unter thermischer Wechselbeanspruchung, nicht durch das Metall bzw. die Metalle in dem Bindemittel verschlechtert werden (was ansonsten der Fall wäre). Dadurch wiederum kann ein so hergestelltes Refraktärmetall-Bauteil höhere Temperaturen zerstörungsfrei aushalten und/oder eine höhere Lebensdauer aufweisen. Das Verfahren ist dabei nicht oder nicht wesentlich aufwändiger durchzuführen als bei Anwesenheit eines metallischen Bindemittels.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Extrusionsmasse zusätzlich Keramikpulver aufweist. Dies weist unter anderem den Vorteil auf, dass durch die Beimengung von Keramik ein Rekristallisationsverhalten und/oder eine Festigkeit des folgend erzeugten Refraktärmetall-Bauteils beeinflusst werden kann. Das Vorhandensein von Keramik stabilisiert insbesondere im Rahmen einer Dispersionhärtung die Korngrenzen des Refraktärmetalls und kann insbesondere ein Kornwachstum unterdrücken. Dadurch wiederum erhält das Refraktärmetall-Bauteil eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Hochtemperaturbelastung, insbesondere den Thermoschock (z.B. ausgelöst durch eine thermische Wechselbeanspruchung).
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Ein Keramikpulver kann insbesondere als Nano- oder Mikropulver vorliegen, also nicht größer als 1 Mikrometer bzw. 1 Millimeter sein. Ein Mischen von keramischen und metallischen Pulvern kann zusammen mit übrigen Komponenten der Extrusionsmasse erfolgen oder durch einen optionalen, vorangestellten Misch- und Mahlprozess (z.B. in einer Kugelmühle, einem Attritor usw.) erreicht werden. Dabei kann unter anderem auch eine Partikelgrößenverteilung eingestellt werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Keramikpartikel La2O3, Y2O3, TiC und/oder HfC aufweisen oder daraus bestehen.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass ein Median der Korngröße der Partikel des Refraktärmetall-Pulvers, D50, kleiner zwei Mikrometern ist. Durch diese kleinen Korngrößen wird ein Kornwachstum bei hohen Sintertemperaturen unterdrückt, da die Verwendung solch feiner Pulverfraktionen eine hohe Sinterreaktivität und daher niedrigere Endsintertemperaturen ermöglicht.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Refraktärmetall-Pulver ein Pulver aus reinem Wolfram, Wolfram-Rhenium, WRe, oder Wolfram-Tantal, WTa, ist.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der Anteil des Refraktärmetalls bzw. der Verbindung davon an der Extrusionsmasse 70 Gew.-% bis 99 Gew.-% beträgt.
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Das Wärmebehandeln kann einen Schritt eines Entbinderns des mindestens einen Grünkörpers umfassen. Dabei kann der mindestens eine Grünkörper so stark erwärmt werden, dass der Binder entfernt wird (thermisches Entbindern). Alternativ oder ergänzend mag das Entbindern durch chemisches Entbindern erfolgen, bei welchem die organischen Bestandteile des Binders in der Regel durch Lösemittel aus dem Grünkörper gelöst werden.
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Das Wärmebehandeln kann auch einen Schritt eines Sinterns des mindestens einen Grünkörpers umfassen. Dadurch wird ein verdichtetes Refraktärmetall-Bauteil erlangt. Das Sintern kann insbesondere auf das Entbindern folgen. Das Sintern kann insbesondere ein druckloses Sintern sein.
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Das Entbindern und das Sintern können in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden, z.B. in speziellen kombinierten Sinteranlagen, die das saubere Entbindern und anschließende Sintern erlauben. Dadurch wird ein Umsetzen der Komponenten vermieden und die Prozesszeit verkürzt.
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Insbesondere im Falle eines Grünkörpers aus reinem Wolfram als Refraktärmetall wird ein durchgängiger Prozess in reduzierender und kohlenstofffreier Atmosphäre bevorzugt, um den Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt gering zu halten. Dazu mag das Verfahren unter Vakuum oder reduzierender Atmosphäre (Wasserstoff) durchgeführt werden.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Sintern nicht bei maximaler Sintertemperatur, um sofort eine vollständige Verdichtung zu erreichen, durchgeführt wird, sondern bei niedrigeren Sintertemperaturen. So kann ein Kornwachstum gehemmt werden, was eine homogene und isotrope, feinkörnige Mikrostruktur unterstützt. Es mag dabei insbesondere ausreichen, dass sich in dem Refraktärmetall-Bauteil eine geschlossene Porosität einstellt und keine maximale Dichte. Ein Sintern, bei welchem das Werkstück eine nicht vernachlässigbare (geschlossene) Porosität aufweist und welchem sich ein weiterer Wärmebehandlungsschritt anschließt, mag auch als Vorsintern bezeichnet werden.
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Insbesondere zur Erreichung einer noch höheren Dichte (insbesondere im Bereich einer maximalen theoretischen Dichte) bei geringen Arbeitstemperaturen von zuvor vorgesinterten Werkstücken ist es ferner eine Weiterbildung, dass sich dem Schritt des, insbesondere drucklosen, (Vor-)Sinterns ein weiterer (Hochtemperatur-)Wärmebehandlungsschritt anschließt, z.B. ein isostatisches Heißverpressen.
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Der Schritt des Wärmebehandelns kann also einen Schritt eines Heißverpressens, insbesondere isostatischen Heißverpressens, des mindestens einen (vor)gesinterten Refraktärmetall-Werkstücks umfassen.
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Der Schritt des Wärmebehandelns kann alternativ oder zusätzlich einen Schritt eines sog. "Spark-Plasma"-Sinterns umfassen. Das grüne Halbzeug, das entbinderte und/ oder bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen vorgesinterte Material (eine geschlossene Porosität ist hierbei nicht notwendig) wird dabei unter hohem Druck von elektrischem Strom durchflossen und so in kurzer Zeit und bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zur Enddichte gebracht. Die Kombination des Entbinderns und Sinterns in diesen Anlagen ist ebenfalls möglich.
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Der Schritt des Wärmebehandelns kann alternativ oder zusätzlich einen Schritt eines Mikrowellensinterns umfassen. Dabei wird das grüne Halbzeug, das entbinderte und/ oder bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen vorgesinterte Material mit Mikrowellen bestrahlt, um es bei niedrigen Temperaturen zur Enddichte zu bringen. Die Kombination des Entbinderns und Sinterns in diesen Anlagen ist ebenfalls möglich.
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Es ist folglich eine Ausgestaltung, dass der Schritt des Wärmebehandelns einen Schritt eines Sinterns unterhalb einer maximalen Sintertemperatur auf eine Dichte unterhalb der maximalen Dichte und folgend einen Wärmebehandlungsschritt eines weiteren Verdichtens aufweist.
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Es ist eine zur Herstellung eines besonders stabilen, insbesondere thermoschockfesten, Refraktärmetall-Bauteils bevorzugte Ausgestaltung, dass mindestens ein Grünkörper durch das Wärmebehandeln zumindest geschlossenporig wird. Unter "zumindest geschlossenporig" kann ein geschlossenporiger oder ein dichter (insbesondere maximal dichter) Zustand verstanden werden.
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Die durch das obige Verfahren hergestellten Refraktärmetall-Bauteile (Platten oder Strukturen, z.B. Rohre) können bereits das Endprodukt darstellen oder als Halbzeug über herkömmliche Verbindungstechniken, wie z.B. Löten, auf Oberflächen aufgebracht werden. Alternativ können Grünkörper, insbesondere Grünschichten, vor dem Ofenprozessen auf Komponenten aufgebracht werden. In diesem Fall müssen diese Komponenten Temperaturbehandlung des Grünkörpers mit durchlaufen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Bauteil (Refraktärmetall-Bauteil) oder Körper, welches mittels des Verfahrens wie oben beschrieben hergestellt worden ist. Das Bauteil kann insbesondere analog zu dem Verfahren ausgestaltet sein und die gleichen Vorteile aufweisen.
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So weist das Refraktärmetall-Bauteil Keramik auf, beispielsweise als Partikel und/oder als Keramikphase. Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Keramik La2O3, Y2O3, TiC und/oder HfC aufweist oder daraus besteht.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass das Refraktärmetall-Bauteil aus mehreren (zwei oder mehr) Schichten besteht, welche sich insbesondere in ihren Eigenschaften unterscheiden können. Insbesondere können die Schichten einen Gradientenaufbau aufweisen.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass das Refraktärmetall-Bauteil ein dreidimensionales Bauteil ist.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Refraktärmetall-Bauteil ein geschlossenporiges Bauteil oder ein dichtes Bauteil ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Bauteil für Röntgenröhren oder Fusionsreaktoren anwendbar ist, insbesondere als eine Oberfläche einer Röntgenanode bzw. als eine Wand oder Strukturkomponente eines Fusionsreaktors. Für eine Temperaturbeständigkeit beispielsweise in diesen Anwendungen wäre die Verwendung eines niedrig schmelzenden metallischen Binders sehr nachteilig.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in mehreren Varianten; und
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2 zeigt eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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1 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Refraktärmetall-Bauteils mittels Extrudierens, und zwar in mehreren Varianten.
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Ein erster Vorbereitungsschritt S1 zur Herstellen einer Extrusionsmasse M (siehe auch 2) umfasst ein Bereitstellen einer Pulvermischung aus Refraktärmetallpulver in Form zweier Wolframpulver. Die zwei Wolframpulver unterscheiden sich in ihrer mittleren Korngröße, D50, nämlich einmal zu 0,7 Mikrometern und einmal zu 1,7 Mikrometern.
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Ein zweiter Vorbereitungsschritt S2 umfasst ein Bereitstellen von Keramikpulver in Form von Hafniumcarbidpulver (HfC-Pulver).
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Ein dritter Vorbereitungsschritt S3 umfasst ein Bereitstellen von Additiven wie einem Dispergator (Hypermer KD1), Lösemittel in Form von Ethanol und Toluol sowie ein Bindemitteln in Form von Polvvenylbutyral (Pioloform BR18) und einen Plastifizierer in Form von Dibutylphtalat.
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Zum Herstellen der Extrusionsmasse M werden die bereitgestellten Bestandteile in einem vierten Schritt S4 gemischt.
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Dazu werden zunächst die Refraktärmetallpulver, das Keramikpulver, der Dispergator und die Flüssigkeiten in einem Speedmixer für 3 min bei 1400 1/min gemischt. Anschließend werden das Bindemittel, dem bereits Ethanol zugegeben wurde, und der Plastifizierer zugefügt und für 10 min im Speedmixer bei 1500 1/min gemischt.
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Der Dispergator sorgt dafür, dass das Benetzungsverhalten der refraktärmetallischen Pulverpartikel und des Keramikpulvers verbessert und eine Agglomeratbildung unterbunden wird. Die Lösemittel Ethanol und Toluol lösen die organischen Komponenten, insbesondere den Binder Pioloform BR18. Über die Beimischung eines Plastifizierers kann die Flexibilität und Festigkeit des urgeformten Grünkörpers 17 (siehe auch 2) und somit sein Handhabbarkeit eingestellt werden. Über verschiedene weitere Misch- und Mahlprozesse wird ein homogenes Ausgangsmaterial oder Extrusionsmasse M, auch Feedstock genannt, erzeugt. In einigen Fällen kann es notwendig sein, die Extrusionsmasse M oder Feedstock vor dem Extrudieren zu entgasen, um eine Blasenbildung in dem umgeformten Grünkörper 17 zu vermeiden. Angestrebt wird ein Gewichtsanteil von 70% bis 99% an metallischem Pulver in der Extrusionsmasse M.
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In einem anschließenden Schritt S5 wird die Extrusionsmasse M extrudiert. Dazu wird die Extrusionsmasse M in einen Fülltrichter 12 einer Extrudieranlage 11, wie sie in 2 als Einschnecken-Plastifizierextruder gezeigt ist, gefüllt. Die Extrusionsmasse M gelangt aus dem Fülltrichter 12 in einen Zylinder 13, in welchem sich eine Schnecke 14 durch einen Motor 15 angetrieben dreht. Die Schnecke 14 fördert die Extrusionsmasse M zu einer Spitze des Zylinders 13, an welcher sich ein, ggf. heizbares, Extrusionswerkzeug 16 befindet. Aus dem Extrusionswerkzeug 16 wird der Grünkörper 17 als Extrudat herausgedrückt. Der Grünkörper 17 bzw. das Extrudat kann insbesondere profilartig ausgebildet sein. Mit einem entsprechend ausgeformten Extrusionswerkzeug 16 ist auch die Bereitstellung von, z.B. plattenartigen, Grünschichten möglich.
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In einem folgenden Schritt S6 kann der Grünkörper 17 geformt werden. Beispielsweise mag der Grünkörper 17 zugeschnitten und/oder geformt, insbesondere dreidimensional geformt, werden. Eine minimale Dicke ist dabei besonders durch die Partikelgröße der Ausgangspulver begrenzt und entspricht vorzugsweise in etwa dem 5- bis 10-fachen der größten Refraktärmetallpartikel. Bei obigen Ausgangspulvern (insbesondere D50 = 1,7 Mikrometer) liegt die Untergrenze einer Dicke zumindest einer Schicht des Grünkörpers 17 in etwa bei 60 Mikrometern. Die maximale Dicke liegt in etwa bei 1,5 mm bis 2,0 mm.
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In einem folgenden Schritt S7 wird der zugeschnittene / geformte Grünkörper 17 zur Herstellung des fertigen Refraktärmetall-Bauteils wärmebehandelt.
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In einem ersten Teilschritt S8 von Schritt S7 wird der Grundkörper 17 entbindert, insbesondere durch eine Wärmebehandlung.
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In einem zweiten Teilschritt S9 wird der entbinderte und ggf. geformte Grundkörper 17 gesintert, und zwar in einem zusammenhängenden, insbesondere drucklosen, Sinterablauf bei einer entsprechend hohen Sintertemperatur bis zum Vorliegen eines dichten oder praktisch porenfreien Refraktärmetall-Bauteils.
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In einem zu Schritt S9 alternativen Ablauf wird zunächst in Schritt S10 der entbinderte und ggf. geformte Grünkörper 17 bei einer vergleichsweise niedrigeren Sintertemperatur gesintert ("vorgesintert"), wobei er noch nicht ihren dichten Zustand erreicht, sondern porenbehaftet (offenporig oder geschlossenporig) bleibt.
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In einem folgenden Schritt S11 wird das vorgesinterte Refraktärmetall-Werkstück durch isostatisches Heißpressen zu dem Refraktärmetall-Bauteil verdichtet, insbesondere porenfrei verdichtet, insbesondere zumindest ungefähr auf seine maximale Dichte. Dies weist den Vorteil auf, dass die für das isostatische Heißpressen benötigten Temperaturen geringer sind als die in Schritt S9 benötigten Sintertemperatur und damit ein Kornwachstum (das mit steigender Temperatur zunimmt) gehemmt wird.
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Alternativ oder zusätzlich zu Schritt S11 können ein Schritt S12 eines Spark-Plasma-Sinterns und/oder ein Schritt S13 eines Mikrowellensinterns durchgeführt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/147792 A1 [0003, 0003, 0003]
- GB 928626 A [0004, 0008]
