DE102017212731A1 - Faserverstärktes Bauteil und Herstellungsverfahren dazu - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Bauteil, insbesondere ein metallisches faserverstärktes Bauteil oder ein Ceramic Matrix Composite (CMC)- Bauteil, wie sie beispielsweise als Turbinenkomponenten eingesetzt werden, sowie ein Herstellungsverfahren dazu. Durch die vorliegende Erfindung wird eine Möglichkeit gezeigt, wie eine Faserverstärkung beim Aufbau eines Mittels Selective-Laser-Melting gefertigten Bauteils realisierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Bauteil, insbesondere ein metallisches faserverstärktes Bauteil oder ein Ceramic Matrix Composite (CMC)- Bauteil, wie sie beispielsweise als Turbinenkomponenten eingesetzt werden, sowie ein Herstellungsverfahren dazu.
  • Es ist insbesondere auch die Nutzung additiver Verfahren zur prototypischen Herstellung hochbelasteter Turbinenbauteile auf der Basis metallischer Pulver im Fokus der vorliegenden Erfindung.
  • Beispielsweise lassen sich durch das Selective Laser Melting-Verfahren von Superlegierungen Prototypen für Turbinenkomponenten, insbesondere für Gasturbinenkomponenten, herstellen. Die Nutzung additiver Verfahren zur prototypischen Herstellung hochbelasteter Gasturbinen-Bauteile auf Basis metallischer Pulver, wie beispielsweise beim Selective Laser Melting von Superlegierungen, bietet viele Vorteile. So lassen sich komplexe Designs für optimale thermische, aerodynamische und strukturelle Eigenschaften relativ schnell und kostengünstig realisieren. Auf diese Weise können Prototypen für Funktions- und Belastungstests in kurzer Zeit realisiert und so der Entwicklungsprozess erheblich verkürzt werden.
  • Nachteilig an den bekannten additiven Verfahren ist die charakteristische feinkörnige Struktur der daraus hergestellten Bauteile, die durch den lagenweisen Aufbau entsteht. Zwar zeigen die Bauteile eine hohe Festigkeit, jedoch auch eine begrenzte Temperatur- und/oder Kriechbeständigkeit. So resultiert eine begrenzte Dauerbelastbarkeit dieser additiv gefertigten Bauteile. Das begründet insgesamt und grundsätzlich eine eingeschränkte Eignung additiver Prozesse als Fertigungsverfahren für hochbelastete Serienbauteile.
  • Aus der DE 10 2016 201838.8 und der EP 17153083 sind bereits Lösungsvorschläge für das oben genannte Problem, in Form von Verfahren zum Einbau von Fasern in additiv gefertigte Bauteile, bekannt.
  • Jedoch besteht weiterhin der Bedarf, die Festigkeit der lagenweise aufgebauten Bauteile für die Prototypfertigung und auch für die Serienfertigung weiter zu optimieren.
  • Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Bauteil zu schaffen, das bezüglich der Festigkeit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines derart verbesserten Bauteils anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur offenbart ist, gelöst.
  • Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Bauteil, insbesondere eine Turbinenkomponente, ein Basismaterial, das mittels Selective Laser Melting verarbeitbar ist, also beispielsweise ein Metall, eine Legierung, eine sinterbare Mischung und/oder eine Superlegierung umfassend, wobei eine Faserverstärkung vorgesehen ist, die erste Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde umfasst, deren Vorzugsrichtung quer, insbesondere auch senkrecht zur Fläche der einzelnen, durch SLM aufgebauten, Lagen liegt. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils mittels Selective Laser Melting, ein Pulverbett, einen Laser und ein mit dem Laser aufschmelzbares Pulver im Pulverbett umfassend, wobei das Pulverbett während des Herstellungsprozesses langsam Lage für Lage in der Geschwindigkeit des Aufbaus des Bauteils nach unten bewegt wird und gleichzeitig - zumindest temporär - von oben erste Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde in der Geschwindigkeit, in der das Pulverbett nach unten bewegt wird, abgerollt werden, wobei die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde in das metallische Pulver im Pulverbett, das mittels Laser aufgeschmolzen wird, hineinreichen, so dass die Oberfläche der Faser vom metallischen Pulver eingeschlossen wird und mit dem metallischen Pulver verschmilzt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde durch zweite oder weitere Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde, die beispielsweise quer zu den ersten und/oder in einer Ebene oder parallel zu einer Ebene in der die Lage, die durch das Aufschmelzen via SLM gebildet wird, liegen, ergänzt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde, die von oben nach unten abgerollt werden, am Pulverbett-Boden verankert.
  • Unter Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunden sind alle Arten von Verstärkungsfasern, wie sie zur Faserverstärkung in, insbesondere metallischen, Hochtemperatur geeigneten Composit-Materialien eingesetzt werden, gemeint.
  • Hierunter fallen Einzelfasern, kürzer, länger oder in Form von Endlosfasern. Außerdem Faserbündel, beispielsweise geflochtene Fasern sowie Fasergelege, die eine Ebene oder Lage quer zu den über SLM gebildeten Lagen ausmachen. Diese Lagen können auch eine Wand oder Teil einer Wand des faserverstärkten Bauteils darstellen. Fasergelege können in verschiedenen Maschenweiten, in die das Metallpulver - insbesondere über SLM - einschmelzbar ist, vorliegen.
  • Schließlich sind mit Faserverbunden noch dreidimensionale Fasergebilde mit Maschen und gegebenenfalls Innenräumen gemeint, die ganz oder teilweise im SLM-Verfahren durch gezieltes Aufschmelzen von Metallpulver gefüllt werden können.
  • In der Regel handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um hochfeste und/oder temperaturbeständige Fasern, insbesondere um Keramikfasern, Glasfasern, Carbonfasern und/oder Carbidfasern. Der oder die Laser schmelzen dann im additiven Verfahren das Metallpulver, wodurch die Fasern umschlossen und lagenweise in die metallische Struktur eingebaut werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden eine gezielte Temperaturbehandlung und/oder die Überlagerung eines Temperaturgradienten beim Aufbauprozess ergänzend eingesetzt, um die Vergröberung oder Erhöhung der Grobkörnigkeit der Mikrostruktur weiter zu erhöhen.
  • Die Schichtdicke einer derartigen Lage liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 µm und 500 µm, beispielsweise zwischen 1 µm und 200 µm und insbesondere zwischen 10 µm bis 50µm.
  • Der Durchmesser einer Verstärkungsfaser, insbesondere einer keramischen Verstärkungsfaser, wie sie gemäß der Erfindung einsetzbar ist, liegt beispielsweise zwischen 0,1 µm bis 50µm.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den keramischen Fasern um hochtemperaturstabile Fasern, insbesondere um eine Art, die unter den Bedingungen des Selective Laser Melting Verfahrens stabil, insbesondere auch formstabil, bleibt. Durch den Absenkprozess des Pulverbettes und den selektiven Aufschmelzprozess des Metallpulvers werden die keramischen Fasern zu einem bestimmten Teil von Metallpulver und dann von Metallschmelze umschlossen und lagenweise in die metallische Struktur eingebaut.
  • Überraschend hat sich gezeigt, dass durch das Selective Laser Melting Verfahren um die keramische Faser herum eine Superlegierung additiv aufgebaut werden kann. Dadurch kann ein Metall-Matrix Komposit auf Basis einer Superlegierung mit deutlich verbesserten Belastungseigenschaften wie hohe Festigkeit und/oder hohe Kriech-/Temperaturbeständigkeit erzeugt werden. Die Integration der Verstärkungsfasern wäre über den Gussprozess nicht möglich, da die dabei auftretenden dauerhaften Temperaturbelastungen die Fasern zerstören würden. Diese vorteilhafte Kombination eines additiven metallischen Aufbauprozesses mit der Verwendung keramischer Verstärkungsfasern ermöglicht die Ausnutzung der additiven Prozesstechnologie für die Herstellung von hochbelasteten Gasturbinenbauteilen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die im Detail zeigt, wie eine Faser während des SLM-Verfahrens durch Metallschmelze ummantelt wird.
  • Die 1 zeigt ein Prozess-Schema für die Erzeugung eines Metall-Matrix-Komposits mit vertikalem Verstärkungs-Faserverlauf, wobei dies nur eine bevorzugte Ausführungsform ist. Eine Ergänzung durch weitere respektive „zweite“ Fasern, die beispielsweise auch quer zum vertikalen Faserverlauf der ersten Fasern liegen, liegt je nach Ausführungsform mal vor und mal nicht vor.
  • In 1 ist das Metall-Matrix-Komposit 1 zu sehen und zwar die Ansicht der Draufsicht auf eine Lage eines Metall-Matrix-Komposits 1, wobei in der obersten Zeile die verschiedenen Stadien der Verarbeitung gezeigt sind.
  • Von rechts nach links sind in 1 vier Zonen 3, 4, 6 und 7 erkennbar und gekennzeichnet. In Zone 3 ist die keramische Faser 1, die nur im Querschnitt zu sehen ist, vollumfänglich umgeben vom Metallpulver 2. In Zone 4 wird gerade das Metallpulver 2 vom Laserstrahl 5 gezielt geschmolzen. Dabei ummantelt die viskose energetisch hoch aufgeladene Metallschmelze die keramische Verstärkungsfaser, wobei durch den hohen energetischen Zustand der Metallschmelze die beiden Oberflächen der Metallschmelze einerseits und der keramischen Faser andererseits, gut aneinander haftende Grenzflächen bilden. Deshalb ist eine derart eingeschmolzene Verstärkungsfaser gut im Metall-Matrix-Komposit verankert und/oder eingebettet. Nach Ausbildung dieser gut aneinander haftenden Grenzflächen wird dieser Zustand sofort eingefroren, weil unmittelbar angrenzend an die Zone 4, in der der Laserstrahl 5 punktuell hohe Energie zuführt, in der Zone 6 das Komposit bereits abkühlt. In Zone 7 liegt das Komposit bereits fast wieder in Raumtemperatur vor. Die Ausdehnungen der Zonen lassen sich erahnen, wenn bedacht wird, dass der Querschnitt einer Verstärkungsfaser, wie hier zu sehen, beispielsweise im Bereich zwischen 10 µm und 50 µm liegt.
  • Selbstverständlich können ergänzend zu den gezeigten vertikal verlaufenden Verstärkungsfasern auch noch quer liegende Fasern in das faserverstärkte Bauteil eingebaut werden.
  • Ebenso liegen Faserbündel, geflochtene Fasern, Fasergelege und/oder Faserverbunde, die dreidimensionale Fasergelege bilden, im Umfang der Erfindung. In der 1 wurde nur der Übersichtlichkeit halber die einfachste Form der Faserverstärkung durch Einbau einzeln vorliegender Fasern gezeigt.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine Möglichkeit gezeigt, wie eine Faserverstärkung beim Aufbau eines mittels Selective-Laser-Melting gefertigten Bauteils realisierbar ist.
  • 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 102016201838 [0005]
    • EP 17153083 [0005]

Claims (15)

  1. Bauteil, insbesondere eine Turbinenkomponente, ein Basismaterial, das mittels Selective Laser Melting verarbeitbar ist, also beispielsweise ein Metall, eine Legierung, eine sinterbare Mischung und/oder eine Superlegierung umfassend, wobei eine Faserverstärkung vorgesehen ist, die erste Fasern umfasst, deren Vorzugsrichtung quer, insbesondere auch senkrecht zur Fläche der einzelnen, durch SLM aufgebauten, Lagen liegt.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil als keramische Fasern vorliegen.
  3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von Faserbündel vorliegen.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von geflochtenen Fasern vorliegen.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von Fasergelegen vorliegen.
  6. Bauteil nach Anspruch 5, wobei die Fasergelege zumindest zum Teil in Form von zwei-dimensionalen Fasergelegen vorliegen.
  7. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von Faserverbunden vorliegen.
  8. Bauteil nach Anspruch 7, wobei die Faserverbunde zumindest zum Teil in Form von drei-dimensionalen Faserverbunden vorliegen.
  9. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zweite Fasern vorgesehen sind, die quer zu den ersten Fasern liegend eine Faserverstärkung des Bauteils bewirken.
  10. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweiten Fasern in Form von Faserbündel, Fasergelegen und/oder Faserverbunden vorliegen.
  11. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der ersten Fasern im Bereich zwischen 0,1 µm und 50 µm liegt.
  12. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der ersten Fasern zumindest zum Teil ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Materialien: Keramik, Glasfaser, Carbonfaser und/oder Carbidfaser.
  13. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der zweiten Fasern zumindest zum Teil ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Materialien: Keramik, Glasfaser, Carbonfaser und/oder Carbidfaser.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils mittels Selective Laser Melting, ein Pulverbett, einen Laser und ein mit dem Laser aufschmelzbares Pulver im Pulverbett umfassend, wobei das Pulverbett während des Herstellungsprozesses langsam Lage für Lage in der Geschwindigkeit des Aufbaus des Bauteils nach unten bewegt wird und gleichzeitig - zumindest temporär - von oben erste Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde in der Geschwindigkeit, in der das Pulverbett nach unten bewegt wird, abgerollt werden, wobei die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde in das metallische Pulver im Pulverbett, das mittels Laser aufgeschmolzen wird, hineinreichen, so dass die Oberfläche der Faser vom metallischen Pulver eingeschlossen wird und mit dem metallischen Pulver verschmilzt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde, die von oben nach unten abgerollt werden, am Pulverbett-Boden verankert sind.
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