-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine.
-
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind generative oder additive Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen das Bauteil durch pulverbettbasierte, additive Fertigungsverfahren schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone der Vorrichtung aufgetragen. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff schichtweise lokal verschmolzen und/oder versintert, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls, zum Beispiel eines Elektronen- oder Laserstrahls zugeführt wird. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Nach dem Verschmelzen und/oder Versintern wird die Bauteilplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des Bauteils wiederholt.
-
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative beziehungsweise additive Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der
DE 10 2009 051 479 A1 beschriebene Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Bei diesem Verfahren wird durch schichtweisen Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf einer Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone sowie schichtweises und lokales Schmelzen oder Sintern des Bauteilwerkstoffs mittels im Bereich der Aufbau- und Fügezone zugeführter Energie ein entsprechendes Bauteil hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei über Laserstrahlen, wie beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser sowie Diodenlaser, und/oder durch Elektronenstrahlen. Bei dem in der
DE 10 2009 051 479 A1 beschriebenen Verfahren wird weiterhin die Aufbau- und Fügezone auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Bauteilwerkstoffs mittels eines Zonenofens erwärmt, um eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Kristallstruktur zu erzielen oder aufrechtzuerhalten.
-
Aus der
US 2015/0322557 A ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Bauteils einer Strömungsmaschine bekannt, wobei zur Herstellung des Bauteils ein additives Herstellungsverfahren verwendet wird. Nach der Herstellung des Bauteils wird dieses einer mehrstufigen Wärmebehandlung unterzogen, wobei zunächst das Bauteil in mindestens einer Vorwärmphase von Raumtemperatur auf eine Temperatur unterhalb einer Temperatur, die ein Lösungsglühen des Bauteils beziehungsweise des Werkstoffs des Bauteils, ermöglicht. Anschließend wird das Bauteil einem Lösungsglühen unterzogen. Die beschriebenen hohen Aufheizraten dienen zum Abbau von Spannungen im Bauteil, die während des additiven Aufbaus entstanden sind. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass es sich nicht zur Schließung beziehungsweise Heilung von durch das additive Herstellungsverfahren entstandenen Rissen, insbesondere bei der Verwendung von metallischen Werkstoffen mit hohen Rissanfälligkeiten, verwenden lässt. Vielmehr wird hier lediglich versucht, keine neuen Risse im Bauteil entstehen zu lassen.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils zu schaffen, mit welchem Risse oder rissartige Gefügestrukturen bei additiv hergestellten metallischen Bauteilbereichen oder metallischen Bauteilen nachträglich geschlossen beziehungsweise geheilt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System anzugeben, welches ein nachträgliches Schließen beziehungsweise Heilen von während eines additiven Herstellungsprozesses entstandenen Rissen oder rissartigen Gefügestrukturen ermöglicht.
-
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines metallischen Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Herstellen des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils aus einem metallischen Werkstoff mittels eines additiven Herstellungsverfahrens und b) Wärmebehandlung des hergestellten Bauteilbereichs und/oder des hergestellten Bauteils bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich die/der überhalb der Solidustemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten metallischen Werkstoffs liegt. Bei der genannten Temperatur beziehungsweise dem genannten Temperaturbereich erfolgt erfindungsgemäß ein lokales Anschmelzen z.B. der Korngrenzen des metallischen Werkstoffs. Durch die erfindungsgemäße nachgelagerte Wärmebehandlung, welche ein- oder mehrstufig erfolgen kann, können Risse oder rissartige Gefügestrukturen in dem mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellten Bauteilbereichs und/oder des Bauteils geschlossen beziehungsweise geheilt werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren für jeden metallischen Werkstoff genutzt werden, der zu so genannten Seigerungen neigt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um metallische Werkstoffe mit einer relativ hohen Anzahl an Legierungselementen (mindestens vier) und deren unterschiedlichen Schmelzpunkten. Diese metallischen Werkstoffe neigen zudem dazu, dass sie einen breiten Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur aufweisen. Ein derartiger Temperaturbereich kann beispielsweise bei > 40 K liegen. Beispielsweise kann der metallische Werkstoff aus einer Nickelbasislegierung, einer Nickelsuperlegierung, einem mittel- oder hochlegierten Stahl, einer Kobaltbasislegierung, einer Eisenbasislegierung, einer ausscheidungsgehärteten Legierung auf Aluminiumbasis oder einer Mischung davon, bestehen. So beträgt die Temperatur für die Nickelbasis-Gusslegierung M247 beispielsweise mindestens 1250 bis 1260 °C. Bei anderen Nickelbasislegierungen kann der Temperaturbereich auch niedriger liegen. So liegt dieser zum Beispiel bei IN939 oberhalb von 1150 bis 1160 °C. Durch eine mehrstufige Ausführung der Wärmebehandlung ergibt sich ein vorteilhafter Homogenisierungseffekt insbesondere im Bereich der Bauteiloberfläche. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die ein- oder mehrstufige Wärmebehandlung bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich durchgeführt wird, die/der maximal 10% unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten metallischen Werkstoffs liegt. Dies bedeutet, dass die Temperatur oder der Temperaturbereich 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2% oder 1% unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten metallischen Werkstoffs liegen soll. Auch Zwischenwerte sind denkbar. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass dem metallischen Werkstoff ein keramischer Werkstoff beigemengt ist.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht nunmehr die Möglichkeit, dass die bei der additiven Verarbeitung von zum Beispiel hochwarmfesten Nickelbasislegierungen, insbesondere mit hohem Gamma-Gehalt, entstehende Risse im Bauteil nachträglich geschlossen beziehungsweise geheilt werden können. Bisher bestand keine Möglichkeit additiv gefertigte Bauteile aus den oben beschriebenen Werkstoffen aufgrund der Rissanfälligkeit zum Einsatz zu bringen. Üblicherweise müssen derartige Bauteile zuerst zweistufig Lösungsgeglüht und anschließend in einem ebenfalls zweistufigen Auslagerungsverfahren homogenisiert werden. Dadurch ist es aber nicht möglich, bereits entstandene Risse zu schließen.
-
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das additive Herstellungsverfahren ein selektives Laserschmelz- oder Lasersinterverfahren oder ein Elektronenstrahlschmelz- oder Elektronenstrahlsinterverfahren oder eine Kombination dieser Verfahren sein. Auch andere additive Herstellungsverfahren sind denkbar.
-
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bauteilbereich und/oder das Bauteil vor der ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) von einer Bauplattform, auf welcher der Bauteilbereich und/oder das Bauteil additiv aufgebaut worden ist, entfernt und einer Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung der ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) zugeführt. Das Trennen von der Bauplattform ermöglicht vorteilhafterweise, dass der Bauteilbereich und/oder das Bauteil sich als Folge der Eigenspannungen elastisch verformen kann und so Rissflanke auf Rissflanke anliegt. Dies ermöglicht eine Wärmebehandlung ohne zusätzlichen Druck von außen. Elastische Deformationen, die sich während der additiven Herstellung in dem Bauteilbereich und/oder dem Bauteil gebildet haben, können sich zurückbilden und unterstützen so das Schließen beziehungsweise das Heilen der entsprechenden Risse.
-
Des Weiteren besteht aber auch die Möglichkeit, dass vor der Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) eine Wärmebehandlung unter Druck, insbesondere ein heiß-isostatisches Pressen, des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils, erfolgt. Auch hierdurch ergibt sich eine elastische Verformung des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils, welche das Schließen beziehungsweise das Heilen der entsprechenden Risse unterstützt. Auch andere Verfahren, die entweder elastische und/oder plastische Deformationen zulassen oder einbringen und/oder Druck von außen ausüben, sind zur Unterstützung der Schließung von Rissen anwendbar.
-
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass nach der Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) diese mindestens einmal wiederholt wird. Dadurch ergibt sich ein vorteilhafter Homogenisierungseffekt insbesondere im Bereich der Bauteiloberfläche. Es ist aber auch möglich, dass nach der Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) eine Wärmebehandlung unter Druck, insbesondere ein heiß-isostatisches Pressen, des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils, erfolgt. Auch ein ein- oder mehrstufiges Lösungsglühen und/oder eine ein- oder mehrstufige Auslagerung des Bauteilsbereichs und/oder des Bauteils nach der ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) sind denkbar. Alle diese Verfahrensschritte tragen zur Verbesserung der Qualität des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils bei, da sie entweder zur Schließung von Rissen oder zur Homogenisierung oder Aushärtung des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils beitragen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt b) in einem Zeitintervall zwischen 1 sek. und mehreren Stunden, beispielsweise 1 bis 24 Stunden, durchgeführt. Die Zeitdauer ist abhängig von dem verwendeten Werkstoff und kann individuell bestimmt werden.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System der Erfindung betrifft ein System zur Herstellung zumindest eines metallischen Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, umfassend mindestens eine Vorrichtung zur additiven Herstellung des Bauteilbereichs und/oder der Bauteils aus einem metallischen Werkstoff mit mindestens einer Pulverzuführung zum Auftrag mindestens einer metallischen Pulverschicht auf eine Aufbau- und Fügezone einer Bauplattform und mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls, mittels welchem die mindestens eine Pulverschicht im Bereich der Aufbau- und Fügezone lokal verschmelzbar ist. Zudem weist das System mindestens eine Vorrichtung zur ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung des hergestellten Bauteilbereichs und/oder des hergestellten Bauteils bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich die/der überhalb der Solidustemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten metallischen Werkstoffs liegt. Das erfindungsgemäße System ermöglicht vorteilhafterweise ein nachträgliches Schließen beziehungsweise Heilen von während eines additiven Herstellungsprozesses entstandenen Rissen oder rissartigen Gefügestrukturen in dem metallischen Bauteilbereich und/oder metallischem Bauteil. Es erfolgt ein Anschmelzen der metallischen Korngrenzen und damit ein Schließen der Risse.
-
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems ist die Vorrichtung zur additiven Herstellung als selektive Laserschmelzvorrichtung und/oder als Elektronenstrahlschmelzvorrichtung ausgebildet. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung zur ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung des hergestellten Bauteilsbereichs und/oder des hergestellten Bauteils derart ausgebildet ist, dass zusätzlich eine Wärmebehandlung unter Druck, insbesondere ein heiß-isostatisches Pressen, und/oder ein ein- oder mehrstufiges Lösungsglühen und/oder eine ein- oder mehrstufige Auslagerung des Bauteilbereichs und/oder des Bauteils durchgeführt werden können. Bei der Vorrichtung kann es sich dabei um einen so genannten Zonenofen handeln, in dem auch mehrere Wärmebehandlungsschritte bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden können. Auch andere Wärmebehandlungsvorrichtungen sind denkbar und verwendbar.
-
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
-
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, welches erhältlich und/oder erhalten durch ein Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder durch eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ist. Ein derartig hergestelltes Bauteil weist aufgrund seiner erfindungsgemäßen Herstellung eine hervorragende Bauteilqualität auf. Insbesondere können für derartige Bauteile Werkstoffe verwendet werden, die üblicherweise aufgrund ihrer Rissanfälligkeit nicht zum Einsatz kommen. Dies betrifft insbesondere Bauteile aus hochwarmfesten Nickelbasislegierungen.
-
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten und/oder alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in dem Ausführungsbeispiel nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems; und
-
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Herstellung eines metallischen Bauteils 24, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Das System 10 umfasst eine Vorrichtung 12 zur additiven Herstellung des Bauteils 24. Die Vorrichtung 12 umfasst dabei eine Pulverzuführung 20 zum Auftrag eines metallischen Werkstoffs 40 als Pulverschicht 28 auf eine Aufbau- und Fügezone einer Bauplattform 16. Der metallische Werkstoff 40 ist dabei in einem Vorratsbehälter 18 gelagert und wird über die Pulverzuführung 20, welche insbesondere als so genannter Beschichter ausgebildet ist, schichtweise auf die Bauplattform 16 aufgetragen. Die Pulverschichten 28 werden mittels eines von einer Laserquelle 14 abgegebenen Laserstrahls verschmolzen und/oder versintert. Durch die Steuerung des Laserstrahls 44 ergibt sich eine vorgeschriebene Bauteilkontur des Bauteils 24. Der nicht zum Aufbau des Bauteils 24 benötigte Werkstoff wird mittels des Beschichters 20 in einen Überlaufbehälter überführt. Der nicht benötigte Bauteilwerkstoff ist mit 42 gekennzeichnet.
-
Des Weiteren umfasst das System 10 eine Vorrichtung 26 zur ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung des hergestellten Bauteils 24. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung 26 um einen so genannten Zonenofen. Dieser ist unter anderem dazu ausgerichtet das hergestellte Bauteil 24 bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich, die/der überhalb der Solidustemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen Werkstoffs 40 liegt, zu erwärmen. Das Bauteil 24 wird nach seiner additiven Herstellung in die Wärmebehandlungsvorrichtung 26 überführt. Nach einer entsprechenden ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung wird das fertig gestellte Bauteil 24 wieder aus der Vorrichtung 26 entnommen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass in der Vorrichtung 26 zusätzlich und nach der genannten ein- oder mehrstufigen Wärmebehandlung nochmals eine ein- oder mehrstufige Wärmebehandlung in dem Temperaturbereich zwischen Solidustemperatur und Schmelzpunkt des Werkstoffs und/oder eine Wärmebehandlung unter Druck, insbesondere ein heiß-isostatisches Pressen, und/oder ein ein- oder mehrstufiges Lösungsglühen und/oder eine ein- oder mehrstufige Auslagerung des Bauteils 24 durchgeführt werden. Damit wird eine zusätzliche Verbesserung der Bauteilqualität erzielt. So kann beispielsweise die mechanische Festigkeit bei Raumtemperatur und/oder bei höheren Temperaturen sowie die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit des Bauteils 24 erhöht werden.
-
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Verfahrungsschritt 30 erfolgt die additive Herstellung des Bauteils 24. Dies kann beispielsweise durch ein selektives Laserschmelzen (SLM) erfolgen. In einem zweiten Verfahrensschritt wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das hergestellte metallische Bauteil 24 von der Bauplattform 16 entfernt. Bei dem Trennen des Bauteils 24 von der Bauplattform 16 gemäß dem Verfahrensschritt 32 können sich wegen der auftretenden Eigenspannungen in dem Bauteil 24 elastische Deformationen zurückbilden. In einem sich daran anschließenden weiteren Verfahrensschritt 34 erfolgt eine ein- oder mehrstufige Wärmebehandlung des hergestellten Bauteils 24 bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich, die/der überhalb der Solidustemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten metallischen Werkstoffs 40 liegt. So liegt beispielsweise der Temperaturbereich bei hochwarmfesten Nickelbasislegerungen wie beispielsweise M247 bei ca. 1250 bis 1260 °C. Der Verfahrensschritt 34 kann auch unter Druck ausgeführt werden. In einem sich daran anschließenden weiteren Verfahrensschritt 36 wird das Bauteil 24 optional einer weiteren Wärmebehandlung unter Druck, nämlich einem heiß-isostatischen Pressen, ausgesetzt. Zudem erfolgt anschließend in einem weiteren und nachgelagerten Verfahrensschritt 38 eine Auslagerung des Bauteils 24, insbesondere zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Bauteils 24.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009051479 A1 [0003, 0003]
- US 2015/0322557 A [0004]
