DE102016213917A1

DE102016213917A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102016213917A1
Application number: DE102016213917.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Franke; Simon Eichler
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01
Also published as: WO2018019850A1; US20190178086A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (11), bei dem Wände (9) einen Hohlraum (14) umgeben und der Hohlraum (14) durch zumindest eine in einer der Wände (9) ausgebildete Öffnung (13, 15) zugänglich ist, mit folgenden Schritten: Herstellen des Bauteils (11) durch ein additives Verfahren, bei dem in einem Prozessraum (4) auf einer Unterlage (5) schichtweise metallische Pulverpartikel aufgetragen und die Wände (9) jeweils nach dem Auftragen einer Schicht der metallischen Pulverpartikel durch Schmelzen mittels eines Energiestrahls entlang eines vorgegebenen Wegs hergestellt werden, Verbinden der Öffnung (13, 15) mit einer Spüleinrichtung, Zuführen eines flüssigen Ätzmittels (17) in den Hohlraum (14) mittels der Spüleinrichtung, selektives Lösen von lediglich über Sinterhälse (10) und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen Pulverpartikeln durch das Ätzmittel (17), und Abführen des Ätzmittels (17) und der gelösten Pulverpartikel aus dem Hohlraum (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem Wände einen Hohlraum umgeben und der Hohlraum durch zumindest eine in einer der Wände ausgebildete Öffnung zugänglich ist.
Zur Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien, die z. B. Hohlräume, eine Gitterstruktur oder eine andere komplizierte dreidimensionale Struktur aufweisen, kommen additive Herstellungsverfahren zum Einsatz. Bei einem additiven Herstellungsverfahren wird ein Bauteil schichtweise durch Hinzufügen von Material hergestellt. Das hinzugefügte Material wird entlang eines vorgegebenen Wegs unter Hitzeeinwirkung mit darunter befindlichem Material verschmolzen, verschweißt oder versintert. Das Material liegt üblicherweise in Pulverform vor und kann schichtweise mittels eines Energiestrahls, insbesondere mittels eines Elektronenstrahls oder mittels eines Laserstrahls, mit dem darunter liegenden Material verschmolzen und/oder versintert werden. Derartige additive Herstellungsverfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung metallischer Bauteile.
In der DE 10 2009 048 665 A1 wird ein additives Verfahren zur Herstellung eines einen Hohlraum aufweisenden Bauteils beschrieben. Das Bauteil wird schichtweise hergestellt, indem eine erste Pulverschicht mittels eines Energiestrahls lokal unter Bildung einer ersten Schicht geschmolzen wird und darauf Schicht für Schicht weitere Pulverschichten aufgebracht und jeweils lokal geschmolzen werden.
In der EP 2 319 641 A1 wird ein additives Verfahren beschrieben, bei dem ein metallisches Material in Pulverform durch einen Energiestrahl gesintert wird. Als Beispiele für derartige Herstellungsverfahren werden selektives Elektronstrahlschmelzen (Selective Electron Beam Melting – SEBM), selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting – SLM) und Metalllasersintern (Direct Metal Laser Sintering – DMLS) genannt.
In der DE 10 2011 101 857 A1 wird erläutert, dass zur Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Hohlräumen Ablaufbohrungen vorgesehen werden, durch welche das in den Hohlräumen gefangene, unverfestigte Pulvermaterial herausrieseln kann. Die Ablaufbohrungen werden nach Entleerung der Hohlräume durch einen Stopfen verschlossen. Zur Verbesserung der Zugänglichkeit der Hohlräume wird vorgeschlagen, das Bauteil entlang einer Bruchlinie in wenigstens zwei Bruchteile zu brechen und die Bruchteile nach dem Entfernen des Pulvers wieder zusammenzusetzen.
Bei der Herstellung eines Bauteils aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt mittels eines additiven Verfahrens wird metallisches Pulver in einem Prozessraum zunächst erhitzt, z. B. auf eine Temperatur von 1.000 °C. Durch den Energiestrahl werden metallische Pulverpartikel in dem Prozessraum auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls erhitzt, welche z. B. 3.000 °C betragen kann. Die geschmolzenen Bereiche bilden nach dem Abkühlen und Erstarren die Bauteilstruktur. Durch den Energiestrahl werden Pulverpartikel außerhalb der Schmelzzonen so stark erwärmt, dass sie lediglich über "Materialbrücken" wie Schmelzbrücken und/oder Sinterhälse miteinander verbunden werden.
Die verschmolzenen und/oder versinterten, über Schmelzbrücken und/oder Sinterhälse miteinander verbundenen Partikel verbleiben nach der Herstellung des Bauteils im Hohlraum. Sie können je nach Herstellungsverfahren auch den gesamten Hohlraum ausfüllen. Für viele Anwendungen ist es allerdings wünschenswert oder erforderlich, dass der Hohlraum frei von derartigen verschmolzenen und/oder versinterten Strukturen ist, beispielsweise wenn der Hohlraum während des Betriebs von einem gasförmigen oder flüssigen Fluid durchströmt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Entfernung versinterter und/oder verschmolzener Partikel aus dem Hohlraum eines additiv gefertigten Bauteils anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, bei dem Wände einen Hohlraum umgeben und der Hohlraum durch zumindest eine in einer der Wände ausgebildete Öffnung zugänglich ist, weist die folgenden Schritte auf:
Herstellen des Bauteils durch ein additives Verfahren, bei dem in einem Prozessraum auf einer Unterlage schichtweise metallische Pulverpartikel aufgetragen und die Wände jeweils nach dem Auftragen einer Schicht der metallischen Pulverpartikel durch Schmelzen mittels eines Energiestrahls entlang eines vorgegebenen Wegs hergestellt werden,
Verbinden der Öffnung mit einer Spüleinrichtung,
Zuführen eines flüssigen Ätzmittels in den Hohlraum mittels der Spüleinrichtung,
selektives Lösen von lediglich über Sinterhälse und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen Pulverpartikeln durch das Ätzmittel, und
Abführen des Ätzmittels und der gelösten Pulverpartikel aus dem Hohlraum.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich zwischen aneinander liegenden Pulverpartikeln sogenannte "Sinterhälse" und/oder Schmelzbrücken ausbilden. Ein Sinterhals ist eine Materialbrücke, welche sich durch eine durch Diffusion bedingte Materialumlagerung bildet und zwei Pulverpartikel stoffschlüssig miteinander verbindet. Eine Schmelzbrücke bildet sich durch die Erstarrung geschmolzenen Materials. Dabei besteht die Möglichkeit, dass Pulverpartikel unvollständig aufschmelzen, sodass die Grundform der Pulverpartikel bestehen bleibt. Es bilden sich lokale stoffschlüssige Verbindungen zwischen benachbarten Pulverpartikeln infolge eines lokalen Aufschmelzens der Oberfläche der Pulverpartikel. Diese lokalen Schmelzbrücken bewirken eine ähnliche Verfestigung der Pulverpartikel wie beim Sintern. Ein Durchmesser eines Sinterhalses und/oder einer Schmelzbrücke ist stets kleiner als ein weiterer Durchmesser der über den Sinterhals verbundenen Pulverpartikel. Die im Hohlraum vorhandenen, zumindest teilweise durch Sinterhälse und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen Pulverpartikel bilden eine offenporige poröse Struktur, welche mit einem Ätzmittel durchströmt werden kann. Indem das Ätzmittel durch die Öffnung bzw. einen Durchbruch in einer Wand in den Hohlraum eingebracht wird, können die Sinterhälse und/oder die Schmelzbrücken zumindest teilweise aufgelöst werden. Die selektiv gelösten Pulverpartikel können anschließend aus dem Hohlraum ausgespült werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass das flüssige Ätzmittel auch in geometrisch kompliziert aufgebaute Hohlräume gelangt, beispielsweise in mehrfach abgewinkelte oder gekrümmte Hohlräume sowie in Gitterstrukturen.
Das in den Hohlraum eingebrachte Ätzmittel zerstört die porösen Strukturen. Es bilden sich kleine Unterstrukturen oder gelöste Pulverpartikel, welche durch das Ätzmittel oder eine andere Flüssigkeit ausgespült werden können. Alternativ oder zusätzlich können die Unterstrukturen auch mechanisch durch Rütteln (Vibration) ausgetragen werden.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass beim Herstellen des Bauteils ein mit der Öffnung verbundener Anschluss zum lösbaren Verbinden mit einer Leitung der Spüleinrichtung gebildet wird. Der Anschluss kann beispielsweise als Rohrstutzen ausgebildet sein, welcher die Anbringung einer Leitung ermöglicht. Alternativ kann der Anschluss auch als Flansch ausgebildet sein. Daneben sind selbstverständlich weitere Kupplungsmöglichkeiten denkbar, beispielsweise kann der Anschluss mit einem Gewinde versehen werden, um zum Zuführen von Ätzmittel einen Schlauch oder eine Leitung mittels einer Schraubverbindung zu befestigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, dass der angeformte Anschluss nach dem Abführen der gelösten Pulverpartikel entfernt wird. Es ist möglich, den Anschluss z. B. durch ein spanendes Verfahren wie Sägen, Fräsen oder Drehen zu entfernen. Alternativ kann der Anschluss auch eine Sollbruchstelle aufweisen, so dass er abgebrochen werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, dass die Spüleinrichtung eine Pumpe umfasst. Mit der Pumpe kann das Ätzmittel mit einem vorgegebenen Druck in den Hohlraum gedrückt werden. Die Komponenten der Spüleinrichtung und insbesondere die Pumpe sind aus einem gegenüber dem Ätzmittel resistenten Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, hergestellt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die gelösten Pulverpartikel in einem Filter der Spüleinrichtung aufgefangen werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Ätzmittel wiedergewonnen werden kann.
Das Verfahren ist besonders gut für Bauteile geeignet, welche eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweisen, wobei das flüssige Ätzmittel dem Hohlraum durch die erste Öffnung zugeführt und durch die zweite Öffnung abgeführt wird. Bei einem derart aufgebauten Bauteil kann das Ätzmittel durch die Spüleinrichtung in einem Kreislauf gefördert werden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass metallische Pulverpartikel aus mehreren Hohlraumabschnitten und/oder Hohlstrukturen und/oder Kanälen des Bauteils entfernt werden. Vorzugsweise wird ein freigelegter Hohlraumabschnitt oder Kanal anschließend zumindest temporär verschlossen. Ein Hohlraumabschnitt kann z. B. durch einen wieder entfernbaren ätzmittelresistenten Klebstoff oder Kunststoff, durch Wachs oder einen Stopfen verschlossen werden. Auf diese Weise kann das flüssige Ätzmittel nacheinander in mehrere Hohlraumabschnitte eingebracht werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Hohlraumabschnitte handeln, welche einen Kanal zum Durchführen eines Fluids, insbesondere eines Gases oder einer Flüssigkeit, bilden, um das Bauteil während des Betriebs zu temperieren, insbesondere zu kühlen.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird als Energiestrahl vorzugsweise ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl verwendet. Derartige Energiestrahlen zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und ermöglichen das Schmelzen der metallischen Pulverpartikel.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren metallische Pulverpartikel einer Nickelbasislegierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Titanbasislegierung, einer Kupferlegierung, aus Stahl oder aus einer Kombination davon verwendet. Daneben kommen intermetallische Verbindungen, insbesondere Titanaluminide, in Frage.
Als flüssiges Ätzmittel kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise eine Säure oder eine Lauge eingesetzt werden. Insbesondere kann einer der folgenden Stoffe oder eine Kombination davon benutzt werden: Salzsäure (HCl); Salzsäure (HCl) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂); Salzsäure (HCl) + Essigsäure (C₂H₄O₂); Essigsäure (C₂H₄O₂) + Perchlorsäure (HClO₄); Salzsäure (HCl) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂); Salpetersäure (HNO₃), vorzugsweise in den folgenden Konzentrationen: 65%, 15%, 6%; Essigsäure (C₂H₄O₂) + Salzsäure (HCl) + Salpetersäure (HNO₃); Salpetersäure (HNO₃) + Essigsäure (C₂H₄O₂) + Phosphorsäure (H₃PO₄); Salpetersäure (HNO₃) + Flusssäure (HF); Flusssäure (HF) + Schwefelsäure (H₂SO₄); Eisen(III)-Nitrat (Fe(NO₃)₃) + Essigsäure (CH₃COOH) + Wasser (H₂O); Eisen(III)-Chlorid (Fe(III)Cl₃) gesättigt + Salzsäure (HCl) + Salpetersäure (HNO₃); Kaliumhydroxid (KOH) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂); Kaliumhydroxid (KOH) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂) + Wasser (H₂O); 25 Vol.% Kaliumhydroxid (KOH) + 10 Vol.% Wasserstoffperoxid (H₂O₂) + 65 Vol.% Wasser (H₂O); Schwefelsäure (H₂SO₄) + Salzsäure (HCl); Salpetersäure (HNO₃) + Salzsäure (HCl) + Flusssäure (HF); Natriumhydroxid (NaOH).
Die angegebenen Stoffe und Verbindungen können in unterschiedlichen Konzentrationen verwendet werden. Durch eine Erwärmung des Ätzmittels, z. B. auf eine Temperatur im Bereich von 35 °C bis 95 °C, kann das Auflösen der Sinterhälse und/oder der Schmelzbrücken beschleunigt werden. Durch Festlegen einer bestimmten Konzentration des Ätzmittels kann dessen Wirkung an die jeweilige Anwendung gezielt angepasst werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die lediglich über Sinterhälse und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen, die poröse Struktur bildenden Pulverpartikel für eine Dauer weniger als 1 Minute bis 20 Minuten, vorzugsweise 1 Minute bis 10 Minuten, mit dem Ätzmittel in Kontakt gebracht werden. Diese kurze Zeitspanne genügt, um die Sinterhälse, d. h. die gesinterten stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den metallischen Pulverpartikeln und/oder die Schmelzbrücken, zumindest teilweise soweit aufzulösen, dass deren Beweglichkeit hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit den Vorteil einer kurzen Prozessdauer auf. Da das flüssige Ätzmittel auch auf Innenflächen des Bauteils, insbesondere auf Innenflächen des Hohlraums, einwirkt, kommt es vorteilhafterweise auch zu einer Glättung dieser Innenflächen.
In diesem Zusammenhang kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Ätzmittel solange in den Hohlraum eingebracht wird und/oder dort verbleibt bis 0,5 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise < 5 Gewichtsprozent der porösen Struktur, welche durch die lediglich über ihre Sinterhälse und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen Pulverpartikel gebildet ist, aus dem Hohlraum entfernt sind. Es ist ausreichend, diesen geringen Anteil der porösen Struktur aufzulösen, so dass diese in Unterstrukturen zerfällt und durch einen Flüssigkeitsstrom abgeführt werden kann.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in dem Prozessraum bei Nutzung eines Elektronenstrahls unter Vakuum durchgeführt, dadurch kann eine Verunreinigung durch Sauerstoff oder Stickstoff reduziert werden.
Der Prozessraum wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise auf eine Temperatur aufgeheizt, die wenigstens dem 0,5-fachen der Schmelztemperatur der metallischen Pulverpartikel entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung und Nachbearbeitung einer Komponente einer Gasturbine, insbesondere kann es sich bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteil um eine Turbinenschaufel handeln. Daneben können auch andere Komponenten einer Gasturbine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden. Beispiele dafür sind stationäre Leitschaufeln oder andere hohen Temperaturen ausgesetzte Bauteile einer Gasturbine. Die Gasturbine kann als stationäre Gasturbine oder als Triebwerk für ein Luftfahrzeug ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Gasturbine um eine Strahlturbine oder um eine Wellenturbine.
Daneben betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere eine Komponente einer stationären Gasturbine oder eines Triebwerks für ein Luftfahrzeug, insbesondere eine Turbinenschaufel, mit wenigstens einem Hohlraum. Das erfindungsgemäße Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass es durch das beschriebene Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigt:
1 eine Elektronenstrahlanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen;
2 ein Detail einer Wand eines hergestellten Bauteils;
3 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 den Masseverlust über der Ätzdauer für einen Nickelbasiswerkstoff,
5 den Masseverlust über der Ätzdauer für Kupfer, und
6 den Masseverlust über der Ätzdauer für TiAl6V4.
1 zeigt eine Elektronenstrahlanlage 1, welche für die additive Herstellung von Bauteilen durch selektives Elektronenstrahlschmelzen geeignet ist. Die Elektronenstrahlanlage 1 umfasst eine Elektronenstrahlröhre 2 zum Erzeugen eines Elektronenstrahls 3. In einem evakuierten Prozessraum 4 befindet sich eine vertikal bewegbare Unterlage 5. Mittels einer Rakel 6 werden aus Pulverbehältern 7, 8 abgegebene metallische Pulverpartikel auf der Unterlage 5 verteilt, so dass eine erste Pulverschicht gebildet wird. Die Größe der metallischen Pulverpartikel beträgt vorzugsweise 45 bis 150 µm.
Das Innere des Prozessraums 4 wird auf eine Temperatur vorgeheizt, die z. B. dem 0,8-fachen der Schmelztemperatur der metallischen Pulverpartikel entspricht. Der auf die Pulverschicht auftreffende Elektronenstrahl 3 bewirkt eine weitere Temperaturerhöhung und damit ein lokales Schmelzen der metallischen Pulverpartikel. Nach dem Erstarren entsteht eine Schicht der Kontur des herzustellenden Bauteils. Der Weg des Elektronenstrahls wird durch ein CAD-Modell des herzustellenden Bauteils festgelegt. Das CAD-Modell umfasst die Konturen der einzelnen Schichten des Bauteils. Durch Bewegen des fokussierten Elektronenstrahls entlang einer definierten Kontur entsteht eine Schicht. Anschließend wird die vertikal bewegbare Unterlage 5 entsprechend der Dicke der herzustellenden Schicht abgesenkt und es wird erneut eine Pulverschicht aufgetragen. Auf diese Weise wird das herzustellende Bauteil schichtweise erzeugt. Zum Vorheizen (Sintern) wird ein defokussierter Strahl eingesetzt, zum Schmelzen wird ein fokussierter Strahl verwendet.
Bei dem Verfahren werden allerdings auch solche metallischen Pulverpartikel erwärmt, welche nicht direkt durch den fokussierten Elektronenstrahl beaufschlagt werden. Insbesondere in der Nachbarschaft von aufgeschmolzenen Bereichen kommt es zwischen den Pulverpartikeln zur Ausbildung von Sinterhälsen. In oder am Rand geschmolzener Bereiche können Schmelzbrücken entstehen. Es bildet sich dort eine weitgehend offenporige poröse Struktur. Eine solche poröse Struktur kann einen Hohlraum im Bauteil auch vollständig ausfüllen.
2 zeigt ein Detail einer Wand 9 eines herzustellenden Bauteils, an der sich eine durch Sinterhälse 10 verbundene poröse Struktur 22 befindet. Eine solche poröse Struktur kann an einer Außenseite des Bauteils leicht entfernt werden. Allerdings entsteht eine solche poröse Struktur auch im Inneren des herzustellenden Bauteils, insbesondere auch in einem von Wänden 9 umgebenen Hohlraum. Derartigen Hohlräumen ist meist eine bestimmte Funktion zugeordnet. Beispielsweise dienen sie beim Betrieb des Bauteils zum Durchleiten eines gasförmigen oder flüssigen Fluids. Um eine ordnungsgemäße Funktion des Bauteils zu gewährleisten, ist es erforderlich, die durch Sinterhälse 10 und gegebenenfalls auch durch Schmelzbrücken miteinander verbundene poröse Struktur 22 zu entfernen.
3 zeigt eine Anordnung mit einer Spüleinrichtung zur Entfernung der porösen Struktur 22 aus einem Hohlraum eines additiv gefertigten Bauteils.
Ein schematisch dargestelltes, dreidimensionales Bauteil 11 ist durch Elektronenstrahlschmelzen hergestellt worden. Das Bauteil 11 weist einen an einer Außenseite abstehenden Anschluss 12 auf, welcher als Rohrstutzen ausgebildet und mit einer als Zulauf dienenden ersten Öffnung 13 verbunden ist. Die erste Öffnung 13 mündet in einen Hohlraum 14, der von Wänden 9 umgeben ist. Der Hohlraum 14 weist einen gekrümmten Verlauf auf und mündet an einer einen Auslass bildenden zweiten Öffnung 15.
Im Inneren des Bauteils 11 befindet sich in dem Hohlraum 14 eine poröse Struktur 22, welche bei der Herstellung des Bauteils 11 entstanden ist. Zum Entfernen der porösen Struktur 22 wird eine erste Leitung 19 der Spüleinrichtung mit dem Anschluss 12 verbunden. Anschließend wird mittels einer Pumpe 18 z. B. Salzsäure als flüssiges Ätzmittel 17 in den Hohlraum 14 gepumpt. Das Ätzmittel 17 durchströmt die poröse Struktur 22 und tritt an der zweiten Öffnung 15 aus. Das Ätzmittel 17 wird in einem Behälter 20 aufgefangen, welcher über eine zweite Leitung 21 mit der Pumpe 18 verbunden ist. Das Ätzmittel 17 wird in einem Kreislauf gefördert. Die Spüleinrichtung umfasst einen Filter 16, in welchem aus dem Hohlraum 14 entfernte metallische Pulverpartikel und/oder Unterstrukturen der zerfallenen porösen Struktur 22 aufgefangen werden. Das Ätzmittel 17 bewirkt auch eine Glättung der Wände 9 des Hohlraums 14.
Es ist ausreichend, das Ätzmittel 17 solange einwirken zu lassen, bis etwa 5 Gewichtsprozent der porösen Struktur 22 aufgelöst worden sind. Durch das Ätzmittel 17 werden insbesondere die Sinterhälse 10 zumindest teilweise aufgelöst, wodurch die poröse Struktur 22 zerfällt. Nach einer vorgegebenen Dauer von z. B. 5 Minuten wird das Ätzmittel 17 entfernt und der Hohlraum 14 mit Wasser gespült. Das Wasser kann über die Pumpe 18 zugeführt werden.
Nach dem Ausspülen der gelösten Pulverpartikel und/oder Unterstrukturen wird der angeformte Anschluss 12 z. B. durch spanende Bearbeitung entfernt. Das in 3 gezeigte Bauteil 11 weist lediglich einen einzigen Hohlraum 14 auf. Es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich, bei denen ein Bauteil mehrere derartige Hohlräume oder miteinander in Verbindung stehende Hohlraumabschnitte aufweist, welche eine komplizierte dreidimensionale Form aufweisen. Die im Inneren des Bauteils vorhandenen porösen Strukturen können nacheinander durch das beschriebene Verfahren aus den einzelnen Hohlräumen oder Hohlraumabschnitten entfernt werden, wobei ein freigelegter Hohlraum oder Hohlraumabschnitt anschließend temporär verschlossen werden kann.
Mittels des beschriebenen Verfahrens können Bauteile mit kompliziert geformten Hohlraumstrukturen, wie Turbinenschaufeln einer stationären Gasturbine oder eines Triebwerks eines Luftfahrzeugs, mit hoher Präzision hergestellt und deren Hohlräume freigelegt werden.
Die 4 bis 6 zeigen Diagramme von Ätzversuchen an unterschiedlichen Werkstoffen. Die waagerechte Achse ist die Zeitachse, auf der senkrechten Achse ist der prozentuale Masseverlust angegeben.
4 zeigt die Ergebnisse für einen aus einer Nickelbasislegierung hergestellten Probekörper für drei verschiedene Ätzmittel. Das mit 1 bezeichnete Ätzmittel hat die Zusammensetzung 95 Vol.% HCl (32% konz.) + 5 Vol.% H₂O₂ (30% konz.). Das mit 2 bezeichnete Ätzmittel hat die Zusammensetzung 90 Vol.% HCl (32% konz.) + 10 Vol.% H₂O₂ (30% konz.). Das mit 3 bezeichnete Ätzmittel hat die Zusammensetzung 80 Vol.% HCl (32% konz.) + 20 Vol.% H₂O₂ (30% konz.). Es wurden mehrere Versuche mit unterschiedlicher Ätzdauer durchgeführt. Es zeigt sich, dass bei Wahl eines geeigneten Ätzmittels eine Zerstörung der porösen Struktur bereits nach einer Ätzdauer von weniger als 5 Minuten erreicht werden kann.
5 zeigt die Wirkung unterschiedlicher Ätzmittel bei einem Probekörper aus reinem Kupfer. Bei dem mit 4 bezeichneten Ätzmittel handelt es sich um HNO₃ (65% konz.). Das mit 5 bezeichnete Ätzmittel ist HNO₃ (6% konz.). Das mit 6 bezeichnete Ätzmittel ist HNO₃ (15% konz.). Das mit 7 bezeichnete Ätzmittel ist HCl (32% konz.). Man erkennt, dass die Wirkung des Ätzmittels HNO₃ bei höherer Konzentration schneller eintritt.
6 zeigt die Ergebnisse von Ätzversuchen mit einem Probekörper aus dem Werkstoff TiAl6V4. Bei dem mit 8 bezeichneten Ätzmittel handelt es sich um 25% KOH + 10% H₂O₂ (30% konz.) + 65% H₂O. Ein Masseverlust von etwa 5 %, der für das Entfernen der porösen Strukturen ausreicht, wird bereits nach etwa 8 Minuten erreicht.
Die 4 bis 6 zeigen, dass das beschriebene Verfahren zum Entfernen poröser Strukturen schnell und somit effizient durchgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Elektronenstrahlanlage
2: Elektronenstrahlröhre
3: Elektronenstrahl
4: Prozessraum
5: Unterlage
6: Rakel
7: Pulverbehälter
8: Pulverbehälter
9: Wand
10: Sinterhals
11: Bauteil
12: Anschluss
13: erste Öffnung
14: Hohlraum
15: zweite Öffnung
16: Filter
17: Ätzmittel
18: Pumpe
19: erste Leitung
20: Behälter
21: zweite Leitung
22: poröse Struktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048665 A1 [0003]
EP 2319641 A1 [0004]
DE 102011101857 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (11), bei dem Wände (9) einen Hohlraum (14) umgeben und der Hohlraum (14) durch zumindest eine in einer der Wände (9) ausgebildete Öffnung (13, 15) zugänglich ist, mit folgenden Schritten: Herstellen des Bauteils (11) durch ein additives Verfahren, bei dem in einem Prozessraum (4) auf einer Unterlage (5) schichtweise metallische Pulverpartikel aufgetragen und die Wände (9) jeweils nach dem Auftragen einer Schicht der metallischen Pulverpartikel durch Schmelzen mittels eines Energiestrahls entlang eines vorgegebenen Wegs hergestellt werden, Verbinden der Öffnung (13, 15) mit einer Spüleinrichtung, Zuführen eines flüssigen Ätzmittels (17) in den Hohlraum (14) mittels der Spüleinrichtung, selektives Lösen von lediglich über Sinterhälse (10) und/oder Schmelzbrücken miteinander verbundenen Pulverpartikeln durch das Ätzmittel (17), und Abführen des Ätzmittels (17) und der gelösten Pulverpartikel aus dem Hohlraum (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Bauteils ein mit der Öffnung (13) verbundener Anschluss (12) zum lösbaren Verbinden mit einer Leitung (19) der Spüleinrichtung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (12) nach dem Abführen der gelösten Pulverpartikel entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinrichtung eine Pumpe (18) umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gelösten Pulverpartikel in einem Filter (16) der Spüleinrichtung aufgefangen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel (17) durch die Spüleinrichtung in einem Kreislauf gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauteil (11) eine erste Öffnung (13) und eine zweite Öffnung (15) vorgesehen ist, und dass das flüssige Ätzmittel (17) dem Hohlraum (14) durch die erste Öffnung (13) zugeführt und durch die zweite Öffnung (15) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gelöste Pulverpartikel nacheinander aus mehreren Hohlraumabschnitten des Bauteils (11) abgeführt werden und ein freigelegter Hohlraumabschnitt vorzugsweise temporär verschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl ein Elektronenstrahl (3) oder ein Laserstrahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Pulverpartikel einer Nickelbasislegierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Titanbasislegierung, einer Kupferlegierung, aus Stahl, aus Titanaluminiden oder aus einer Kombination davon verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzmittel (17) einer der folgenden Stoffe oder eine Kombination davon benutzt wird: – Salzsäure (HCl), – Salzsäure (HCl) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂), – Salzsäure (HCl) + Essigsäure (C₂H₄O₂), – Essigsäure (C₂H₄O₂) + Perchlorsäure (HClO₄), – Salzsäure (HCl) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂), – Salpetersäure (HNO₃), vorzugsweise in den folgenden Konzentrationen: 65%, 15%, 6%, – Essigsäure (C₂H₄O₂) + Salzsäure (HCl) + Salpetersäure (HNO₃), – Salpetersäure (HNO₃) + Essigsäure (C₂H₄O₂) + Phosphorsäure (H₃PO₄), – Salpetersäure (HNO₃) + Flusssäure (HF), – Flusssäure (HF) + Schwefelsäure (H₂SO₄), – Eisen(III)-Nitrat (Fe(NO₃)₃) + Essigsäure (CH₃COOH) + Wasser (H₂O), – Eisen(III)-Chlorid (Fe(III)Cl₃) gesättigt + Salzsäure (HCl) + Salpetersäure (HNO₃), – Kaliumhydroxid (KOH) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂), – Kaliumhydroxid (KOH) + Wasserstoffperoxid (H₂O₂) + Wasser (H₂O), – 25 Vol.% Kaliumhydroxid (KOH) + 10 Vol.% Wasserstoffperoxid (H₂O₂) + 65 Vol.% Wasser (H₂O), – Schwefelsäure (H₂SO₄) + Salzsäure (HCl), – Salpetersäure (HNO₃) + Salzsäure (HCl) + Flusssäure (HF), – Natriumhydroxid (NaOH).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lediglich über Sinterhälse (10) miteinander verbundenen, eine poröse Struktur (22) bildenden Pulverpartikel für eine Dauer von weniger als 1 Minute bis 20 Minuten, vorzugsweise 1 Minute bis 10 Minuten, mit dem Ätzmittel (17) in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel (17) solange in den Hohlraum (14) eingebracht wird und/oder dort verbleibt, bis 2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 Gewichtsprozent, der porösen Struktur (22), welche durch die lediglich über ihre Sinterhälse (10) miteinander verbundenen Pulverpartikel gebildet ist, aus dem Hohlraum (14) entfernt sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (11) eine Komponente einer stationären Gasturbine oder eines Triebwerks eines Luftfahrzeugs, insbesondere eine Turbinenschaufel, hergestellt wird.
Bauteil (11), das vorzugsweise als Gasturbinenkomponente und insbesondere als Turbinenschaufel ausgebildet ist und wenigstens einen Hohlraum (14) aufweist und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.