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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Materialien für Techniken zum direkten Metalllaserschmelzen (DMLM).
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DMLM, das gelegentlich auch als Selektives Laserschmelzen (SLM) bezeichnet wird, ist eine additive Herstellungstechnologie, die sich nutzen lässt, um Teile mit komplexen Geometrien herzustellen, die jedoch auf die in Zusammenhang mit nicht additiven Herstellungstechniken üblichen Werkzeugbestückungstechniken verzichten kann. Häufig verwendet DMLM 3D-CAD-Daten in einem digitalen Format in Verbindung mit einer Energiequelle, gewöhnlich einem Hochleistungslaser, um durch Fusionieren von Partikeln von metallischen Pulvern oder Legierungspulvern dreidimensionale Metall- oder Legierungsteile zu erzeugen. Aufgrund dieser Tatsache wird die Qualität des verwendeten DMLM-Pulvers die physikalischen Eigenschaften und die Qualität des sich ergebenden Teils unmittelbar beeinflussen.
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Frühere Ausführungsformen haben eine Anzahl von Materialien für DMLM genutzt. Beispielsweise wurden bisher rostfreier Stahl, Aluminium, martensitaushärtender (oder Werkzeug-)Stahl, Titanlegierungen und Kobaltchrom genutzt. Allerdings besteht Bedarf, ein besseres DMLM-Pulver zu entwickeln.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Vorliegenden beschriebene Ausführungsformen der Erfindung können eine Nickellegierung zum direkten Metalllaserschmelzen enthalten, wobei die Nickellegierung aufweist: ein Pulver, das enthält: etwa 1,6 bis ungefähr 2,8 Gew.-% Aluminium; etwa 2,2 bis ungefähr 2,4 Gew.-% Titan; etwa 1,25 bis ungefähr 2,05 Gew.-% Niob; etwa 22,2 bis ungefähr 22,8 Gew.-% Chrom; etwa 8,5 bis ungefähr 19,5 Gew.-% Kobalt; etwa 1,8 bis ungefähr 2,2 Gew.-% Wolfram; etwa 0,07 bis ungefähr 0,1 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 0,002 bis ungefähr 0,015 Gew.-% Bor; und etwa 40 bis ungefähr 70 Gew.-% Nickel.
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Ausführungsformen der Erfindung können außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Artikels beinhalten, wobei das Verfahren enthält: Bereitstellen einer 3D-Design-Datei des Artikels; und wiederholtes Anwenden einer Energiequelle auf ein Pulver mittels eines 3D-Druckers Schicht für Schicht gemäß der 3D-Design-Datei, wobei das Pulver enthält: etwa 1,6 bis ungefähr 2,8 Gew.-% Aluminium; etwa 2,2 bis ungefähr 2,4 Gew.-% Titan; etwa 1,25 bis ungefähr 2,05 Gew.-% Niob; etwa 22,2 bis ungefähr 22,8 Gew.-% Chrom; etwa 8,5 bis ungefähr 19,5 Gew.-% Kobalt; etwa 1,8 bis ungefähr 2,2 Gew.-% Wolfram; etwa 0,07 bis ungefähr 0,1 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 0,002 bis ungefähr 0,015 Gew.-% Bor; und etwa 40 bis ungefähr 70 Gew.-% Nickel.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Diese und weitere Merkmale der Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlicher, die vielfältige Aspekte der Erfindung veranschaulichen.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines additiven Herstellungsverfahrens, das ein nichtflüchtiges von einem Computer auslesbares Speicherungsmedium verwendet, das Code speichert, der einen Artikel repräsentiert, gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
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Zu beachten ist, dass die Zeichnungen möglicherweise nicht maßstäblich sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung veranschaulichen und sollten daher nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend erachtet werden. In den Zeichnungen bezeichnen gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente. Die detaillierte Beschreibung erläutert anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden ist eine Nickellegierung für den Einsatz bei direktem Metalllaserschmelzen offenbart. Die Nickellegierung kann vorteilhafterweise in Zusammenhang mit Schweißen, Sintern und Laserschmelzen genutzt werden. Die Nickellegierung liegt in Form eines Pulvers vor, wobei das Pulver Aluminium, Titan, Niob, Chrom, Kobalt, Wolfram, Kohlenstoff, Bor und Nickel enthält. Die einzigartige Kombination von Anteilen von Aluminium und Titan ermöglichen eine verbesserte Charakteristik in Bezug auf Kurzzeitfestigkeit, Kriechdehnung, Korrosionsbeständigkeit und Hitzekorrosionsbeständigkeit.
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In einigen Ausführungsformen kann die Nickellegierung etwa 1,6 bis ungefähr 2,8 Gew.-% Aluminium und etwa 2,2 bis ungefähr 2,4 Gew.-% Titan enthalten. Diese chemische Zusammensetzung ermöglicht einen guten Ausgleich zwischen hoher Hitzebeständigkeit und einem Grad von Schweißbarkeit. Diese und weitere Merkmale werden in Anbetracht der weiter unten folgenden Beschreibungen verständlicher.
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In einigen Ausführungsformen kann das Nickellegierungspulver ferner die folgenden Anteile enthalten; etwa 1,25 bis ungefähr 2,05 Gew.-% Niob; etwa 22,2 bis ungefähr 22,8 Gew.-% Chrom; etwa 8,5 bis ungefähr 19,5 Gew.-% Kobalt; etwa 1,8 bis ungefähr 2,2 Gew.-% Wolfram; etwa 0,07 bis ungefähr 0,1 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 0,002 bis ungefähr 0,015 Gew.-% Bor; und etwa 40 bis ungefähr 70 Gew.-% Nickel. In einigen Ausführungsformen enthält das Nickellegierungspulver kleine Partikel. Beispielsweise kann die Abmessung der Partikel etwa 44 µm oder weniger betragen. Aufgrund der Wärmequelle und der Leichtigkeit des Schmelzens oder Sinterns der Partikel des Pulvers, unterstützt dieser Abmessungsparameter die Eignung für die Verwendung für DMLM. In einer weiteren Ausführungsform können die Partikel einen Durchmesser von größer oder gleich etwa 10 µm aufweisen. Es sollte klar sein, dass diese Abmessungsbereiche um 5 µm abweichen können, und dass Partikel des Pulvers innerhalb des Abmessungsbereichs synthetisiert werden können oder mit Blick auf eine spezielle Größe mittels einer beliebigen gegenwärtig bekannten oder in der Zukunft entwickelten Technik gefiltert werden können. In einigen Ausführungsformen kann ein Sieb mit einer speziellen Maschengröße genutzt werden, um die Partikel zu filtern, und in manchen Fällen kann ein Sieb mit größten Maschengröße und ein Sieb mit kleinsten Maschengröße genutzt werden, um eine obere Grenze und eine untere Grenze für den Durchmesser der Partikel des Nickellegierungspulvers festzulegen.
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In weiteren Ausführungsformen wird das oben offenbarte Nickellegierungspulver in einem Verfahren zur Herstellung eines Artikels verwendet. Insbesondere kann das Verfahren ein Bereitstellen einer 3D-Design-Datei des Artikels enthalten. Anschließend wird das oben beschriebene Legierungspulver mittels eines 3D-Druckers wiederholt schichtförmig aufgetragen, und eine Energiequelle wird auf das Pulver angewandt. Wie oben erörtert, erzeugt das Pulver, das in dem Herstellungsverfahren genutzt wird, einen Artikel, der eine Charakteristik einer Kurzzeitfestigkeit aufweist, wie sie durch einen Belastungsbereichsprozentsatz und eine Anzahl von Zyklen bis zur Risskeimbildung gemessen wird. Der Artikel weist außerdem die Charakteristik einer niedrigen Kriechdehnung, eine Charakteristik einer hohen Korrosionsbeständigkeit und eine Charakteristik einer hohen Hitzekorrosionsbeständigkeit auf. Artikel gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind aufgrund dieser Charakteristiken fester als herkömmliche Legierungen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, HastX, IN617 und IN625.
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Der Artikel des Herstellungsverfahrens kann in einer Anzahl von Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann der Artikel als ein Bauteil einer Turbine genutzt werden. Der Artikel kann für Turbinenleitapparatanwendungen der ersten Stufe und späterer Stufen und zum Einsatz in großen Schaufeln für Turbinen verwendet werden.
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Um ein exemplarisches additives Herstellungsverfahren, wie beispielsweise DMLM, zu veranschaulichen, zeigt 1 eine schematische Blockansicht eines der Veranschaulichung dienenden rechnergestützten additiven Herstellungssystems 100 zum Erzeugen eines Artikels 102. In diesem Beispiel ist das System 100 für DMLM eingerichtet. Selbstverständlich lassen sich die allgemeinen Ausführungen der Offenbarung gleichermaßen auf andere Formen additiver Herstellung anwenden. Der Artikel 102 ist als ein doppelwandiges Turbinenelement dargestellt; jedoch versteht sich, dass sich das additive Herstellungsverfahren ohne weiteres anpassen lässt, um beliebige Artikel herzustellen. Das AM-System 100 enthält allgemein ein Steuerungs- bzw. Regelungssystem 104 für rechnergestützte additive Herstellung (AM) und einen AM-Drucker 106.
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Das AM-System 100 führt, wie weiter unten beschrieben wird, einen Code 120 aus, der einen Satz von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen enthält, die den Artikel 102 definieren, um das Objekt mittels des AM-Druckers 106 körperlich zu erzeugen. Jedes AM-Verfahren kann unterschiedliche Rohmaterialien verwenden, beispielsweise in Form eines feinkörnigen Pulvers, einer Flüssigkeit (z.B. von Polymeren), einer Folie und dergleichen, wovon in einer Kammer 110 des AM-Druckers 106 ein Vorrat vorgehalten sein kann, einschließlich des oben offenbarten Nickellegierungspulvers. Wie zu sehen, kann ein Applikator 112 eine dünne Schicht aus Rohmaterial 114 erzeugen, die als die unbedruckte Bahn ausgebreitet wird, anhand der jede sukzessive Schicht des endgültigen Objekts erzeugt wird. In anderen Fällen kann der Applikator 112 die nächste Schicht gemäß der Definition des Codes 120 unmittelbar auf eine vorhergehende Schicht applizieren oder drucken, wobei das Material beispielsweise ein Polymer ist. In dem gezeigten Beispiel verschmilzt ein Laser oder Elektronenstrahl 116, wie durch den Code 120 definiert, Partikel für jede Schicht. Unterschiedliche Teile des AM-Druckers 106 können sich bewegen, um die Hinzufügung jeder neuen Schicht unterzubringen, z.B. kann eine Bauplattform 118 sinken, und/oder die Kammer 110 und/oder der Applikator 112 können nach jeder Schicht steigen.
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Das AM-Steuerungssystem 104 ist als Computerprogrammcode auf dem Computer 130 durchgeführt gezeigt. Zu diesem Zweck ist der Computer 130 mit einem Speicher 132, einem Prozessor 134, einer Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Schnittstelle 136 und einem Bus 138 gezeigt. Weiter ist der Computer 130 in Datenaustauschverbindung mit einer externen Eingabe-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung/Ressource 140 und einem Speichersystem 142 gezeigt. Allgemein führt der Prozessor 134 in Abhängigkeit von Befehlen von dem Code 120, der den Artikel 102 repräsentiert, wie hier beschrieben, Computerprogrammcode aus, z.B. das AM-Steuerungssystem 104, das in dem Arbeitsspeicher 132 und/oder in dem Speichersystem 142 gespeichert ist. Während der Ausführung des Computerprogrammcodes kann der Prozessor 134 Daten in den Speicher 132, in das Speichersystem 142, in die Eingabe-Ausgabe-Vorrichtung 140 und/oder in den AM-Drucker 106 einlesen und/oder daraus auslesen. Der Bus 138 stellt eine Datenaustauschverbindung zwischen jeder der Komponenten in dem Computer 130 bereit, und die Eingabe-Ausgabe-Vorrichtung 140 kann eine beliebige Einrichtung (z.B. eine Tastatur, ein Zeigergerät, eine Anzeigevorrichtung und dergleichen) beinhalten, die es einem Benutzer ermöglicht, den Computer 140 interaktiv zu bedienen. Der Computer 130 veranschaulicht lediglich unterschiedliche mögliche Kombinationen von Hardware und Software. Beispielsweise kann der Prozessor 134 eine einzelne Prozessoreinheit beinhalten oder auf eine oder mehrere Prozessoreinheiten an einem oder mehreren Orten, beispielsweise auf einen Client und Server, verteilt sein. Desgleichen kann sich der Speicher 132 und/oder das Speichersystem 142 an einem oder mehreren physischen Standorten befinden. Der Speicher 132 und/oder das Speichersystem 142 können eine beliebige Kombination vielfältiger Arten eines nichtflüchtigen von einem Computer auslesbaren Speichermediums, beispielsweise magnetische Medien, optische Medien, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festspeicher (ROM) und dergleichen, beinhalten. Der Computer 130 kann eine beliebige Art von Computervorrichtung beinhalten, beispielsweise einen Netzwerkserver, einen Desktoprechner, einen Laptop, ein von Hand geführtes Gerät, ein Mobiltelefon, einen Funkrufempfänger, einen Personal Data Assistant (PDA) und dergleichen.
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Additive Herstellungsverfahren beginnen mit einem nichtflüchtigen von einem Computer auslesbaren Speichermedium (z.B. dem Speicher 132, dem Speichersystem 142 und dergleichen), das den Code 120 speichert, der den Artikel 102 repräsentiert. Wie erwähnt, enthält der Code 120 einen Satz von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen, die den Artikel 102 definieren, die genutzt werden können, um das Objekt bei Ausführung des Codes durch das System 100 körperlich zu erzeugen. Beispielsweise kann der Code 120 ein genau definiertes 3D-Modell des Objekts 102 beinhalten und kann anhand eines beliebigen aus einer breiten Vielfalt von hinlänglich bekannten computergestützten Konstruktions-(CAD)-Softwaresystemen, wie beispielsweise AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD 3D Max und dergleichen, erzeugt werden. In dieser Hinsicht kann der Code 120 ein beliebiges gegenwärtig bekanntes oder in der Zukunft entwickeltes Dateiformat verwenden. Beispielsweise kann der Code 120 in Form der Standard Tessellation Language (STL), die für Stereolithografiemodellierungs-CAD-Programme von 3D-Systemen geschaffen wurde, oder einer additiven Herstellungsdatei (AMF) vorliegen, die ein Standard der American Society of Mechanical Engineers (ASME) ist, der ein auf einer erweiterbaren Auszeichnungssprache (XML) basierendes Format ist, das entwickelt wurde, um einer beliebigen CAD-Software zu ermöglichen, die Gestalt und Zusammensetzung eines beliebigen dreidimensionalen Objekts zu beschreiben, das auf einem beliebigen AM-Drucker herzustellen ist. Der Code 120 kann nach Bedarf zwischen verschiedenen Formaten übersetzt, in einen Satz von Datensignalen umgewandelt und gesendet, als ein Satz von Datensignalen empfangen und in Code umgewandelt, gespeichert und dergleichen werden. Der Code 120 kann eine Eingabe in das System 100 sein und kann von einem Teileentwickler, von einem Anbieter von geistigem Eigentum (IP), von einer Design-Firma, von dem Anwender oder Eigentümer des Systems 100 oder von anderen Quellen stammen. In jedem Fall führt das AM-Steuerungssystem 104 den Code 120 aus, den Artikel 102 in eine Serie von dünnen Schichten, die es mittels des AM-Druckers 106 in aufeinander folgenden Schichten von Flüssigkeit, Pulver, Folie oder einem sonstigen Material zusammenfügt. In dem Beispiel von DMLM wird jede Schicht mit Blick auf die genaue Geometrie geschmolzen, die durch den Code 120 definiert ist, und mit der vorhergehenden Schicht vereinigt. Daran anschließend kann der Artikel 102 beliebigen Oberflächenbehandlungen unterworfen werden, z.B. einer Feinbearbeitung, Versiegelung, Politur, Montage an einem sonstigen Teil der Brennerspitze und dergleichen.
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Die hier verwendete Terminologie dient lediglich zur Vereinfachung der Erläuterung spezieller Ausführungsformen und soll die Beschreibung nicht beschränken. In dem hier verwendeten Sinne sollen die Singularformen der bestimmten und unbestimmten Artikel auch die Pluralformen einschließen, sofern aus dem Zusammenhang nicht ausdrücklich Entgegenstehendes hervorgeht. Weiter ist klar, dass die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe "aufweisen" und/oder "aufweisend" das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsschritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung einzelner oder mehrerer sonstiger Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Arbeitsschritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsformen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist vielmehr lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.
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Offenbart ist eine Nickellegierung zum direkten Metalllaserschmelzen. Die Legierung beinhaltet ein Pulver, das etwa 1,6 bis ungefähr 2,8 Gew.-% Aluminium, etwa 2,2 bis ungefähr 2,4 Gew.-% Titan, etwa 1,25 bis ungefähr 2,05 Gew.-% Niob, etwa 22,2 bis ungefähr 22,8 Gew.-% Chrom, etwa 8,5 bis ungefähr 19,5 Gew.-% Kobalt, etwa 1,8 bis ungefähr 2,2 Gew.-% Wolfram, etwa 0,07 bis ungefähr 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,002 bis ungefähr 0,015 Gew.-% Bor und etwa 40 bis ungefähr 70 Gew.-% Nickel enthält. Außerdem sind Verfahren und Artikel (102) offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- AM-System
- 102
- Artikel
- 104
- AM-Steuerungssystem
- 106
- Drucker
- 110
- Kammer
- 112
- Applikator
- 114
- Rohmaterial
- 116
- Elektronenstrahl
- 118
- Bauplattform
- 120
- Code
- 130
- Computer
- 132
- Speicher
- 134
- Prozessor
- 136
- Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Schnittstelle
- 138
- Bus
- 140
- Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung
- 142
- Speichersystem
