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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 26. Februar 2016 eingereichten US-Anmeldung Nummer 15/054,603, deren ganzer Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft das Herstellen von Komponenten sowie Gas- und Dampfturbinen und insbesondere ein Verfahren für das selektive Laserstrahlhartlöten.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Additive Herstellung oder 3-D-Drucken ist jüngst erfolgreich zum direkten "Drucken" oder Herstellen von Komponenten Schicht für Schicht verwendet worden. Diese Herstellungstechnologie ermöglicht die Optimierung des Komponentendesigns. Die additive Herstellung von Komponenten beinhaltet einen großen Bereich von Materialien und Prozesstechniken. Zwei Prozesstechniken beinhalten das selektive Lasersintern (SLS – Selective Laser Sintering) und das selektive Laserschmelzen (SLM – Selective Laser Melting). Das selektive Lasersintern (SLS) ist eine additive Herstellungstechnik, die einen Laser als die Leistungsquelle zum Sintern von pulverförmigen Material verwendet, wobei der Laser automatisch auf durch ein dreidimensionales Modell im Raum definierte Punkte gerichtet wird und das Material miteinander verbunden wird, um eine feste Struktur zu erzeugen. Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist ein additiver Herstellungsprozess, der ein dreidimensionales Modell und Energie in Form eines Hochleistungslaserstrahls verwendet, um die feste Struktur durch Verschmelzen der Metallpulver im geschmolzenen Zustand zu erzeugen. Der Hauptunterschied zwischen dem selektiven Lasersintern und dem selektiven Laserschmelzen besteht darin, dass beim Sintern das Material nicht geschmolzen, sondern auf den Punkt erhitzt wird, dass sich durch Diffusion Bindungen zwischen Partikeln ausbilden, während beim Schmelzen die Partikel vollständig geschmolzen und im geschmolzenen Zustand miteinander verschmolzen werden.
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Beide dieser Techniken, das selektive Lasersintern und das selektive Laserschmelzen, weisen Nachteile auf. Beispielsweise wird möglicherweise beim selektiven Lasersintern keine vollständig dichte Komponente erzielt. Nachdem der selektive Lasersinterprozess abgeschlossen ist, können zwischen den Partikeln Hohlräume existieren, die einen zusätzlichen Prozessschritt erfordern, beispielsweise heißisostatisches Pressen (HIP – Hot Isostatic Pressing), um die Partikel unter Beseitigung der Hohlräume zusammenzudrücken. Beim selektiven Laserschmelzen wird jedes Partikel geschmolzen und bildet bei Wiedererstarrung eine bestimmte Kristallstruktur, -größe und/oder -orientierung, die möglicherweise für die Komponente nicht optimiert sind. Insbesondere wird beim Anwenden des Laserstrahls bei der selektiven Laserschmelztechnik eine Schicht von Partikeln aus einem Substrat vollständig geschmolzen. Bei der Widererstarrung kann die Orientierung der Kristallmikrostruktur in dem Substrat, das in dem Prozess geschmolzen wird, gerichtet sein, so dass die Eigenschaften der Schicht in der vertikalen Richtung anders sein können als in der horizontalen Richtung. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit der Schicht nach Wiedererstarrung in der horizontalen Richtung stärker sein als in der vertikalen Richtung. Eine Technik, die die Partikel miteinander ohne Schmelzen des Substratmaterials verschmelzen würde, was zur Erzielung einer vollständigen Verdichtung und Festigkeit führen würde, ist erwünscht.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Kurz beschrieben betreffen Aspekte der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren für das selektive Laserstrahlhartlöten.
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Ein Verfahren für das selektive Laserstrahlhartlöten wird bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Pulvers mit mehreren Elternkernpartikeln und mehreren Hartlotpartikeln, Einstellen einer Temperatur einer Energiequelle, Anwenden der Energiequelle auf das Pulver und Gestatten, dass das erhitzte Pulver erstarrt. Die mehreren Elternkernpartikel werden durch die mehreren Hartlotpartikel zu einer gewünschten Komponente miteinander verschmolzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht mit einem Hartlotmaterial beschichtete Elternkernpartikel,
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2 veranschaulicht mit Hartlotpartikeln gemischte Elternkernpartikel,
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3 veranschaulicht gegen Elternkernpartikel angeordnete Hartlotpartikel unter Ausbildung von Konglomeratpartikeln,
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4 veranschaulicht mit Hartlotmaterial verschmolzene Elternkernpartikel nach dem selektiven Hartlöten,
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5 veranschaulicht ein Beispiel für einen selektiven Laserprozess, und
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6 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für einen selektiven Laserprozess.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Um die in dem Abschnitt bezüglich des allgemeinen Standes der Technik angeführten Nachteile beim Verwenden eines selektiven Laserprozesses wie etwa eines selektiven Lasersinterns und selektiven Laserschmelzens zu überwinden, wird ein Zwischentemperaturverfahren, das selektive Laserstrahlhartlöten, vorgeschlagen. Das Hartlöten kann als ein Prozess definiert werden, der eine Koaleszenz von Materialien erzeugt, indem er sie auf eine Temperatur in Anwesenheit eines Füllmaterials mit einem Schmelzpunkt über 450°C (Liquiduskurve) und unter einem Schmelzpunkt (Soliduskurve) des Substratmaterials erhitzt. Beim Anwenden von Hitze von einer Energiequelle wie etwa einem Laser fließt das Füllmaterial zwischen das Substratmaterial und wird durch Kapillarwirkung verteilt. Diese Technik kann als ein Zwischentemperaturprozess definiert werden, da die verwendete Temperatur über einer beim Lasersintern verwendeten Temperatur, aber unter der beim Schmelzen einer Schicht des Substratmaterials verwendeten liegen kann.
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Um ein Verständnis von Ausführungsformen, Substraten und Merkmalen der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, werden sie im Folgenden unter Bezugnahme auf eine Implementierung in veranschaulichenden Ausführungsformen erläutert. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind jedoch nicht auf eine Verwendung in den beschriebenen Systemen oder Verfahren beschränkt.
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Die Komponenten und Materialien, die im Folgenden so beschrieben werden, dass sie die verschiedenen Ausführungsformen ausmachen, sollen veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Viele geeignete Komponenten und Materialien, die die gleiche oder eine ähnliche Funktion wie die hierin beschriebenen Materialien erfüllen würden, sollen innerhalb des Schutzbereichs von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen sein.
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Unter Bezugnahme auf die 1–6 wird ein Verfahren zum selektiven Hartlöten bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform wird ein Pulver 10 mit mehreren Elternkernpartikeln 20 und einer Mehrheit von Hartlotmaterial oder mehreren Hartlotpartikeln 30 hergestellt. Die Temperatur einer Energiequelle 170 wird eingestellt. Die Energiequelle 170 wird dann auf das Pulver 10 angewendet. Dem erhitzten Pulver wird gestattet, zu erhärten. Programmierte Wiederholungen Schicht für Schicht des Schmelzens und des Erstarrens (ähnlich dem selektiven Laserschmelzen) stellen additiv eine Komponente 130 her. Infolge des selektiven Hartlötverfahrens werden die mehreren Elternkernpartikel 20 durch die mehreren Hartlotpartikel/die Mehrheit von Hartlotmaterial 30 zu einer gewünschten Komponente 130 miteinander verschmolzen.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird das Pulver 10 durch Beschichten der mehreren Elternkernpartikel 20 mit einer Mehrheit von Hartlotmaterial 30 hergestellt, so dass um die Elternkernpartikel 10 herum eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung von Hartlotmaterial vorliegt. Eine derartige Beschichtung kann durch bei der Pulverbeschichtungsherstellung bekannten Verfahren erzielt werden, einschließlich chemischer Dampfabscheidung und dem Schmelzen von Hartlotmaterial mit einer gleichmäßigen Mischung von Elternkernpartikeln, gefolgt von einem Zerkleinern, um beschichtetes Pulver herzustellen.
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Bei einer weiteren, in 2 dargestellten Ausführungsform wird das Pulver 10 durch Mischen der mehreren Elternkernpartikel 20 mit mehreren Hartlotpartikeln 30 hergestellt. Aufgrund des Mischens ergibt sich eine im Wesentlichen zufällige Mischung aus Elternkernpartikeln 20 und Hartlotpartikeln 30.
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Bei einer weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform wird das Pulver 10 durch Abscheiden mehrerer Hartlotpartikel 30 gegenüber jedem Elternkernpartikel 20 hergestellt, was zu mehreren Konglomeratpartikeln 40 führt. Eine derartige Anordnung kann durch in der Pulverherstellung bekannte Verfahren einschließlich gebondetem Pulver erzielt werden, wo ein Bindemittel Partikel aneinanderklebt, und zusammengesetztes Pulver, durch Druck oder Hitze agglomeriert (Sintern). Wie in 3 zu sehen ist, besitzt das Konglomeratpartikel 40 mehrere gegen dieses angeordnete Hartlotpartikel 30. Das Elternkernpartikel 20 ist jedoch nicht durch die mehreren Hartlotpartikel 30 beschichtet, d.h., es gibt keine, die ganze Oberfläche jedes Elternkernpartikels 20 umgebende, im Wesentlichen vollständige Verteilung von Hartlotpartikeln 30.
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Gemäß dem Durchführen einer Hartlötprozedur, wie oben definiert, wird eine Temperatur einer Energiequelle 170 auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt (Liquiduskurve) der Hartlotpartikel 30, aber unter dem Schmelzpunkt (Soliduskurve) der Elternkernpartikel 20 eingestellt, mit dem Ergebnis, dass die Hartlotpartikel 30 schmelzen, die Elternkernpartikel 20 jedoch nicht schmelzen. Somit liegt der Schmelzpunkt der Hartlotpartikel 30 unter dem Schmelzpunkt der Elternkernpartikel 20. Aufgrund des Schmelzens der Hartlotpartikel 30 und der Verteilung von geschmolzenem Hartlotmaterial durch Kapillarwirkung, um eine Gruppe von Elternkernpartikeln 20 zu umgeben, verschmilzt das danach erstarrte Hartlotmaterial 30 die mehreren Elternkernpartikel 20 miteinander. 4 veranschaulicht durch die geschmolzenen und wiedererstarrten mehreren Hartlotpartikel 30 miteinander verschmolzene Elternkernpartikel 20 nach der auf jede der Herstellungsverfahren 1, 2 und 3 wie oben beschrieben angewendeten selektiven Hartlötprozedur.
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Feine Hartlotpartikel 30 in einem Bereich wie etwa zwischen 10 und 60 µm würden einen ausreichenden Flächeninhalt beinhalten, um das Benetzen und das Verschmelzen durch Kapillarwirkung für die selektive Hartlötprozedur zu fördern. Das Benetzen kann als die Fähigkeit einer Flüssigkeit definiert werden, beispielsweise der geschmolzenen Hartlotpartikel 30, einen Kontakt mit einem Festkörper wie etwa den Elternkernpartikeln 20 und zu einem zuvor abgeschiedenen Substrat einschließlich erstarrtem Hartlot mit eingebetteten Kernpartikeln aufrechtzuerhalten.
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Bei allen in 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen werden die Hartlotpartikel 30 die Elternkernpartikel 20 miteinander verschmelzen, nachdem das geschmolzene Hartlotmaterial mit erhitztem Kernpartikelpulver erstarrt gelassen worden ist. Eine gewünschte feste Komponente 130 kann aus dem selektiven Hartlötverfahren ausgebildet werden. Bei der Ausführungsform jedoch, wie in 1a gezeigt, wo die Elternkernpartikel 20 mit dem Hartlotmaterial 30 beschichtet sind, kann eine gleichförmigere Verteilung aus Hartlotmaterial 30 zwischen den Elternkernelternkernpartikeln 20 angeordnet sein.
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Eine Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Herstellen von Elternkernpartikeln
20 mit relativ hoher Temperatur, die mit Hartlotlegierungsmaterial
30 beschichtet sind. Bei dieser Ausführungsform beinhalten die Elternkernpartikel
20 einen Schmelzpunkt, der über 2000°C liegt. Tabelle 1 enthält einige Kandidatenmaterialien für Hochtemperaturkernpartikel
20 (Substratmaterial) und ein entsprechendes Hartlotmaterial
30. Diese Pulver können beim additiven Herstellen für Hochtemperaturanwendungen von Interesse sein. Einige dieser Pulver, wie etwa Nickel auf mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid, können als Wärmebarrierenbeschichtungen verwendet werden zum additiven Anwenden auf Superlegierungssubstrate. Diese Tabelle ist beispielhaft und nicht beschränkend. Es sind auch zahlreiche andere Beispiele möglich. Tabelle 1 – Kandidatenpulver für selektives Laserstrahlhartlöten von Komponenten, die mit Hochtemperaturkernpartikeln nützlich sind.
| Hartlot (Beschichtung) | Liquiduskurve (ºC) | Substrat (Basismaterial) | Soliduskurve (ºC) |
| Nickel | 1455 | mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid | ~2600 |
| Nickel | 1455 | Graphit | 3642 |
| Nickel | 1455 | W, Mo, Cr2O3, Cr3C2, WC, TiC, Siliziumdioxid, etc. | Verschiedene |
| Ni-P (z.B. Ni-7,9P) | 890 | Diamant | 3642 |
| Ni-P (z.B. Ni-7,9P) | 890 | W | 3422 |
| Ni-P& Ni-B (z.B. Ni-7,9P) | 890 | Si-C | 2730 |
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Das Hartlotpulver 10 mit den mehreren Hartlotpartikeln 30 kann auch einen Schmelzpunkterniedriger enthalten, um eine Hartlotlegierung herzustellen. Schmelzpunkterniedriger werden verwendet, um den Schmelzpunkt eines Materials zu senken. Dies kann wünschenswert sein, da eine größere Vielfalt an Materialien als die Hartlotlegierung verwendet werden kann, einschließlich jener Materialien, deren Schmelzpunkte relativ nahe an dem Material der Elternkernpartikel 20 liegt. Beispiele für Schmelzpunkterniedriger sind Bor, Phosphor und Silizium. Als ein Beispiel zeigt Tabelle 1, dass eine Hartlotlegierung aus Nickel und Phosphor einen Schmelzpunkt von 890°C beinhaltet, während der Schmelzpunkt von Nickel alleine 1455°C beträgt. Die Nickel-Phosphor-Kombination senkt den Schmelzpunkt substantiell etwa 565°C. In diesem Fall kann für das beschriebene selektive Hartlötverfahren die Temperatur der Energiequelle auf eine niedrigere Temperatur eingestellt werden, um die Nickel-Phosphor-Kombination zu schmelzen im Vergleich zum Schmelzen von Nickelpartikeln ohne einen Schmelzpunkterniedriger. Nach dem selektiven Laserstrahlhartlöten kann die Komponente einer Nachprozesswärmebehandlung unterzogen werden, um den Schmelzpunkterniedriger zu diffundieren und um Eigenschaften zu optimieren.
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Das Hartlotpulver 10 kann ein Benetzungsmittel enthalten, um eine Hartlotlegierung herzustellen. Wie oben beschrieben ist das Benetzen die Fähigkeit der Hartlotparikel, den Kontakt mit den Elternkernpartikeln 20 aufrechtzuerhalten, so dass die geschmolzene Hartlotlegierung gut zwischen den Elternkernpartikeln und mit dem zuvor abgeschiedenen Substrat fließt. Zirkonium und Silizium sind Beispiele für Benetzungsmittel. Außerdem kann Silizium als ein Schmelzpunkterniedriger verwendet werden. Somit kann Silizium in der Hartlotlegierung verwendet werden, um die doppelte Funktionalität eines Schmelzpunkterniedrigers sowie eines Benetzungsmittels zu erfüllen.
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5 veranschaulicht ein selektives Laserstrahlverarbeitungsverfahren 100 zum additiven Herstellen einer Komponente 130. Ein Pulver 10 wird durch einen Pulverzufuhr-/Herstellungskolben 110 und eine Walze 180 auf eine Oberfläche geliefert. Die Walze 180 bewegt eine Schicht aus Pulver 10 zu einem Herstellungspulverbett 150. Eine Energiequelle wie etwa ein Laser 170 tastet einen Abschnitt des Pulverbetts 150 ab. Der abgetastete Abschnitt des Pulverbetts 150 entspricht einer Schicht einer dreidimensionalen Beschreibung einer Komponente 130, die hergestellt wird. Nachdem die Schicht abgetastet ist, bewegt ein Zufuhr-/Herstellungskolben 110 das Herstellungspulverbett 150 zusammen mit der Komponente 130 die Dicke einer Schicht hinunter. Die dreidimensionale Beschreibung der Komponente 130, die hergestellt wird, kann in einem Scannersystem 160 gespeichert werden.
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Für das selektive Hartlötverfahren würde das Pulver 10 Elternkernpartikel 20 und Hartlotpartikel 30 umfassen. Der Laser 170 würde auf eine Temperatur eingestellt werden, die über dem Schmelzpunkt (Liquiduskurve) der Hartlotpartikel 30, aber unter der Solidustemperatur der Elternkernpartikel (Substratmaterial) 20 liegt.
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Während das in 5 beschriebene selektive Laserverarbeitungsverfahren bei einem additiven Herstellungsverfahren verwendet werden kann, kann das selektive Hartlötverfahren auch zum Herstellen von Komponenten aus pulvergespeisten Abscheidungen anstelle von ausschließlich vorplatzierter Schicht für Schicht verwendet werden. 6 veranschaulicht ein weiteres selektives Laserverarbeitungsverfahren (200), das die Komponente unter Verwendung von Pulverzuführung erzeugt, so dass der Prozess kontinuierlich sein kann und nicht Schicht für Schicht bewerkstelligt wird, wie in dem Prozess von 5 gezeigt. Beispielsweise kann das Pulver durch eine Düse (210) auf ein Substrat (220), auf das eine Energiequelle (270) fokussiert ist, zugeführt werden. Die Hartlotpartikel in dem Pulver würden durch den Laser (270) geschmolzen und zwischen den Elternkernpartikeln unter Erzeugung eines Schmelzbads (230) mit geschmolzenem Hartlot und festen Elternkernpartikeln verteilt werden, wie oben beschrieben. Nach der Erstarrung kann eine resultierende Abscheidung von Material ausgebildet werden, die in einer gewünschten Form einer Komponente vorliegen könnte.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform wird ein Laser 170 als die Energiequelle verwendet. Der Fachmann versteht jedoch, dass andere Energiequellen, die eine Temperatur erreichen können, die mehrere Hartlotpartikel 30 schmelzen könnten, für das selektive Hartlötverfahren verwendet werden können. Andere Beispiele für Energiequellen können ein Plasmalichtbogenstrahl und ein Elektronenstrahl sein.
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Während Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in beispielhaften Formen offenbart worden sind, versteht der Fachmann, dass daran viele Modifikationen, Hinzufügungen und Löschungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung und ihrer Äquivalente abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt.
