DE102019207553A1 - Manufacturing process with additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and heat treatment - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), angegeben, welches umfasst, a), das additive Herstellen eines Formkörpers (11) für das Bauteil (10), insbesondere aus einem Pulverbett (P), b), das Ausbilden von Steigern (12) und/oder Speisern (13) an dem Formkörper (11), c), das Herstellen einer Form (30) um den Formkörper (11) herum, wobei die Form (30) ausgebildet ist, den Formkörper (11) für einen Umschmelz- oder Rekristallisationsprozess formstabil zu halten, d), Wärmebehandeln (T) des Formkörpers (11) für das Bauteil (10) in der Form (30), so dass zumindest teilweise eine Gefügeveränderung bewirkt wird, und e), das Entfernen der Form (30). Weiterhin werden ein entsprechend hergestelltes Bauteil und ein Computerprogrammprodukt angegeben.A method for producing a component (10) is specified which comprises a) the additive production of a molded body (11) for the component (10), in particular from a powder bed (P), b) the formation of risers (12) and / or feeders (13) on the molded body (11), c), the production of a mold (30) around the molded body (11), the mold (30) being designed for the molded body (11) to keep a remelting or recrystallization process dimensionally stable, d), heat treatment (T) of the molded body (11) for the component (10) in the mold (30) so that a structural change is at least partially effected, and e), the removal of the Shape (30). A correspondingly manufactured component and a computer program product are also specified.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, umfassend das additive Herstellen eines Formkörpers für das Bauteil und das Herstellen einer Form um den Formkörper herum, sowie eine anschließende Wärmebehandlung.The present invention relates to a method for producing a component, comprising the additive production of a molded body for the component and the production of a shape around the molded body, as well as a subsequent heat treatment.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung. Die Legierung kann ausscheidungsgehärtet, mischkristallgehärtet, oxiddispersionsgehärtet oder entsprechend härtbar sein.The component is preferably intended for use in a turbomachine, preferably in the hot gas path of a gas turbine. The component preferably consists of a superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy. The alloy can be precipitation hardened, solid solution hardened, oxide dispersion hardened or hardenable accordingly.
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path. The metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved with regard to their strength at high temperatures (creep load, thermomechanical fatigue).
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres Formgebungspotenzials zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.Due to its shaping potential, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of the above-mentioned turbine components, such as turbine blades or burner components.
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (englisch: PBF „powder-bed-fusion“) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).Additive manufacturing processes include, for example, as powder bed processes (English: PBF "powder-bed-fusion"), selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM). Further additive processes are, for example, “Directed Energy Deposition (DED)” processes, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called “sheet lamination” processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
Additive Fertigungsverfahren (AM englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise umfassend labyrinthartige Strukturen oder Kühlstrukturen, erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.Additive manufacturing processes (AM: “additive manufacturing”) have also proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example extensive labyrinth-like structures or cooling structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.
Metallische Bauteile, die mittels AM-Technologien hergestellt werden, zeigen verfahrensinhärent eine Gefügestruktur, die in ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung einem schweißtechnisch erzeugten Werkstoff ähnelt oder gleicht. Durch die schnelle Erstarrung des Metalls beim Umschmelzen bei pulverbettbasierten Prozessen entstehen Werkstoffe, deren Eigenschaften im Wesentlichen durch die Geschwindigkeit bei der Erstarrung dominiert werden. Abhängig beispielsweise von der Raster- oder Scangeschwindigkeit und dem Strahldurchmesser können dabei Temperaturgradienten von 105 K/s oder sogar 106 K/s oder mehr auftreten. Die hierbei erzeugten Strukturen, Gefüge und Phasen sind weit von denjenigen eines jeweils entsprechenden chemischen-physikalischen Gleichgewichtszustandes entfernt. Daraus ergeben sich zahlreiche Anisotropien und Inhomogenitäten in den chemischen oder kristallinen Eigenschaften und mechanisch technischen Kennwerten. Vergleiche zeigen, dass Werkstoffeigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen zum Teil weit hinter den Eigenschaften von gusstechnisch hergestellten Bauteilen zurückbleiben, was einen entscheidenden Nachteil bzw. eine entscheidende Anwendungsbeschränkung von AM-Bauteilen betrifft. Einhergehend mit den beschriebenen nachteiligen Eigenschaften tritt für manche Werkstoffe das aus der Schweißtechnik bekannte Problem der Heißrissanfälligkeit auf, welches ebenfalls durch die hohen thermischen Gradienten während des AM-Prozesses hervorgerufen wird.Metallic components that are manufactured using AM technologies inherently display a microstructure which, in terms of its structure and composition, is similar or similar to a material produced by welding. The rapid solidification of the metal during remelting in powder bed-based processes results in materials whose properties are essentially dominated by the speed of solidification. Depending, for example, on the scanning or scanning speed and the beam diameter, temperature gradients of 10 5 K / s or even 10 6 K / s or more can occur. The structures, structures and phases generated in this way are far removed from those of a corresponding chemical-physical state of equilibrium. This results in numerous anisotropies and inhomogeneities in the chemical or crystalline properties and mechanical technical parameters. Comparisons show that the material properties of additively manufactured components sometimes lag far behind the properties of components manufactured using casting technology, which is a decisive disadvantage or a decisive limitation of the use of AM components. Along with the described disadvantageous properties, the problem of susceptibility to hot cracks known from welding technology occurs for some materials, which is also caused by the high thermal gradients during the AM process.
Um die genannten Probleme zu lösen, wird bereits versucht, die Werkstoffeigenschaften der Bauteile mittels (thermischer) Nachbehandlungen zu verbessern. Die genannten Eigenschaften oder Kennwerte können beispielsweise die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung, die Kerbschlagarbeit, die Härte, die Festigkeit oder weitere Aspekte umfassen.In order to solve the problems mentioned, attempts are already being made to improve the material properties of the components by means of (thermal) post-treatments. The properties or characteristic values mentioned can include, for example, the yield strength, the tensile strength, the elongation at break, the impact energy, the hardness, the strength or other aspects.
Mit Wärmenachbehandlungen können Gefüge oder Strukturen, wie zum Beispiel Korngrößen und Ausscheidungen hervorgerufen, beeinflusst und/oder optimiert werden. Damit lassen sich auch Verbesserungen beispielsweise der Kriechfestigkeit und der Dehnungswechselfestigkeit erreichen. Bei diesen thermischen Nachbehandlungen wird im Wesentlichen die Fähigkeit des jeweiligen Werkstoffs ausgenutzt, seine Beschaffenheit durch Diffusionsprozesse so zu verändern, dass sich dessen Gefüge oder Beschaffenheit den jeweiligen Gleichgewichtszuständen annähert. Die Möglichkeiten dieser thermischen Verfahren enden jedoch spätestens mit Erreichen der niedrigsten eutektischen Temperatur oder Solidustemperatur des jeweiligen Materials, insbesondere der betreffenden Phase oder Zusammensetzung. Beim Erreichen beziehungsweise Überschreiten dieser Temperatur wird der feste Werkstoff irreversibel durch lokales Anschmelzen geschädigt und/oder verliert seine Form. In der Praxis wird diese Grenze, beispielsweise bei Stählen, bereits bei ca. 80 % der jeweiligen Schmelztemperatur erreicht, da in diesem Bereich viele Werkstoffe ihre Festigkeiten soweit abgebaut haben, dass ihre Formstabilität verloren geht.With post-heat treatments, structures or structures, such as grain sizes and precipitations, can be created, influenced and / or optimized. In this way, improvements can also be achieved, for example in the creep strength and the fatigue strength. These thermal aftertreatments essentially utilize the ability of the respective material to change its properties through diffusion processes in such a way that its structure or properties approach the respective states of equilibrium. However, the possibilities of these thermal processes end at the latest when the lowest eutectic temperature or solidus temperature of the respective material, in particular the phase or composition in question, is reached. When this temperature is reached or exceeded, the solid material is irreversibly damaged and / or by local melting loses its shape. In practice, this limit is already reached at approx. 80% of the respective melting temperature, for example in the case of steels, since in this area many materials have reduced their strength to such an extent that their dimensional stability is lost.
Schweißartige Gefügestrukturen lassen sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht ohne Überschreiten der Solidustemperatur aufbauen. Ursache dieser Einschränkung ist, dass die für das Erreichen und Gleichgewicht notwendigen Diffusionswege und Diffusionszeiten zu lang für einen wirtschaftlichen oder effizienten Herstellungsprozess sind. Daher erreichen mit additiven Technologien erzeugte Bauteile kaum die technisch geforderten mechanischen und/oder strukturellen Kennwerte.From an economic point of view, weld-like structures cannot be built up without exceeding the solidus temperature. The reason for this limitation is that the diffusion paths and diffusion times necessary for achieving and equilibrium are too long for an economical or efficient manufacturing process. For this reason, components produced with additive technologies hardly achieve the technically required mechanical and / or structural parameters.
Gemäß dem Stand der Technik werden daher viele hoch beanspruchte Bauteile gusstechnisch hergestellt. Die Eigenschaften gusstechnisch hergestellter Bauteile sind gegenüber schweißtechnisch erzeugten Bauteilen günstiger, weil die chemische Zusammensetzung, die sich bei der Gusserstarrung einstellt, näher am jeweiligen Gleichgewichtszustand der entsprechenden Legierung oder Phasen liegt.According to the state of the art, many highly stressed components are therefore produced by casting. The properties of components produced by casting are more favorable compared to components produced by welding, because the chemical composition that occurs during the solidification of the cast is closer to the respective state of equilibrium of the corresponding alloy or phase.
Es besteht daher ein Bedarf, Formgebungsvorteile oder Gestaltungsfreiheitsgrade der additiven Fertigung oder Herstellungstechnologie mit den günstigeren Werkstoffeigenschaften der Gusstechnik, beispielsweise Feinguss, zu kombinieren.There is therefore a need to combine the shaping advantages or degrees of design freedom of additive manufacturing or manufacturing technology with the more favorable material properties of casting technology, for example investment casting.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die beschriebenen Aufgaben oder Probleme lösen.It is therefore an object of the present invention to provide means which solve the objects or problems described.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend das additive Herstellen eines Formkörpers oder einer Vorform für das Bauteil, vorzugsweise mittels, aber nicht beschränkt auf, pulverbettbasierte Verfahren (PBF) wie dem selektiven Laserschmelzen, dem selektiven Lasersintern oder dem Elektronenstrahlschmelzen.One aspect of the present invention relates to a method for producing a component, comprising the additive production of a shaped body or a preform for the component, preferably by means of, but not limited to, powder bed-based methods (PBF) such as selective laser melting, selective laser sintering or electron beam melting .
Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden von Steigern und/oder Speisern in oder an dem Formkörper.The method further comprises the formation of risers and / or feeders in or on the molded body.
Unter dem Ausdruck „Steiger“ wird vorzugsweise eine Entlüftung, oder ein entsprechender Raum oder Hohlraum verstanden, in welchem sich das Material des Formkörpers bzw. des Bauteils - beispielsweise während eines nachträglichen Umschmelzens oder Wärmebehandelns - ausdehnen bzw. in welchem es aufsteigen kann.The term “riser” is preferably understood to mean a vent, or a corresponding space or cavity in which the material of the molded body or the component - for example during subsequent remelting or heat treatment - can expand or in which it can rise.
Unter dem Ausdruck „Speiser“ wird vorzugsweise ein Materialdepot verstanden, aus welchem Material für den Formkörper bzw. das Bauteil - beispielsweise während eines nachträglichen Umschmelzens oder Wärmebehandelns - bereitgestellt werden kann, um zu verhindern, dass es zu Defekten oder Poren durch Schrumpfprozesse kommt.The term “feeder” is preferably understood to mean a material depot from which material for the molded body or component can be provided - for example during subsequent remelting or heat treatment - in order to prevent defects or pores from occurring as a result of shrinkage processes.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Steigern oder mindestens einem Steiger.In one embodiment, the method comprises the formation of risers or at least one riser.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Speisern oder mindestens einem Speiser.In one embodiment, the method comprises the formation of feeders or at least one feeder.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Herstellen einer Form bzw. einer Formschale um den Formkörper herum, wobei die Form ausgebildet ist, den Formkörper für einen Umschmelz- oder Rekristallisationsprozess oder eine entsprechende Wärmebehandlung formstabil zu halten. Im Falle eines Umschmelzprozesses muss die Formschale eine Ausbildung aufweisen, die für die Formgebung einer flüssigen Phase geeignet ist. In anderen Fällen reicht eine Ausbildung, die die Formstabilität während einer, beispielsweise nachträglichen, Wärmebehandlung gewährleistet. Zusätzlich kann die Form entsprechend dem Stand der Technik mit Kühlplatten und Isolierungen versehen werden.The method further comprises the production of a mold or a molded shell around the molded body, the mold being designed to keep the molded body dimensionally stable for a remelting or recrystallization process or a corresponding heat treatment. In the case of a remelting process, the shell mold must have a design that is suitable for shaping a liquid phase. In other cases, a training that ensures dimensional stability during, for example, subsequent heat treatment is sufficient. In addition, the mold can be provided with cooling plates and insulation in accordance with the state of the art.
In einer Ausgestaltung wird die Form ähnlich zu bekannten Guss- oder Formverfahren, insbesondere dem Wachsausschmelzverfahren, her- oder bereitgestellt. Folglich kann die Formschale in einem einzigen oder in mehreren Arbeitsgängen auf den Formkörper aufgetragen werden oder diesen ummanteln. Die Form kann weiterhin eine Grünform sein.In one embodiment, the mold is produced or provided in a manner similar to known casting or molding processes, in particular the lost wax process. As a result, the shell mold can be applied to the molded body or encased it in a single operation or in several operations. The shape can still be a green shape.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper oder die Form während oder nach ihrer Herstellung gebrannt oder entsprechend wärmebehandelt. Dieses Brennen bzw. eine Wärmebehandlung zu diesem Zweck soll vorliegend klar von einer nachträglichen Wärmebehandlung, welche den Formkörper betrifft, unterschieden werden.In one embodiment, the molded body or the mold is fired or appropriately heat-treated during or after its manufacture. This firing or a heat treatment for this purpose should be clearly differentiated in the present case from a subsequent heat treatment which affects the shaped body.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Wärmebehandeln des Formkörpers für das Bauteil in der Form, sodass zumindest teilweise eine Gefügeveränderung, insbesondere eine Rekristallisation des Materials des Formkörpers, eine Diffusion bestimmter Gefügebestandteile und/oder eine chemische oder stöchiometrische Veränderung, bewirkt wird.The method further comprises the heat treatment of the molded body for the component in the mold, so that at least partially a structural change, in particular a recrystallization of the material of the molded body, a diffusion of certain structural components and / or a chemical or stoichiometric change is brought about.
Im Falle eines elementar metallischen bzw. nicht aus einer Legierung bestehenden Formkörpers, kann dieser für die beschriebene Gefügeveränderung sowohl einfach umgeschmolzen als auch lediglich lokal angeschmolzen werden. Im Falle lokalen Anschmelzens kann nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung, insbesondere nach der Herstellung des Bauteils, eine weitere Wärmebehandlung (siehe unten) angewendet werden, um etwaige Strukturdefekte und/oder Porosität wieder zu heilen.In the case of an elementary metallic shaped body or a shaped body that does not consist of an alloy, this can be both simply remelted and only locally melted for the described structural change. In the case of local melting, a further heat treatment (see below) can be applied after the heat treatment described above, in particular after the production of the component, in order to heal any structural defects and / or porosity again.
Falls der Formkörper aus einer Legierung hergestellt wird, kann lediglich örtliches oder lokales Anschmelzen das Gefüge zerstören („Incipient melting“ beschreibt Korngrenzenschmelzen). Dieses Phänomen kann beispielsweise nicht mit einer erneuten Wärmebehandlung und/oder heißisostatischem Pressen behoben werden. Für den Fall, dass eine Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers während der Wärmebehandlung überschritten wird, kann es erforderlich sein, dass im Design des Bauteils bzw. Formkörpers vorgesehene Hohlräume mit einem geeigneten Material, beispielsweise einem Kern, ausgefüllt werden, um diese Hohlräume freizuhalten.If the shaped body is made from an alloy, only local or local melting can destroy the structure (“incipient melting” describes grain boundary melting). This phenomenon cannot be remedied, for example, with a renewed heat treatment and / or hot isostatic pressing. In the event that a melting temperature of the material of the molded body is exceeded during the heat treatment, it may be necessary for cavities provided in the design of the component or molded body to be filled with a suitable material, for example a core, in order to keep these cavities free.
Die Gefügeumwandlung erlaubt es, die Materialeigenschaften additiv gefertigter Strukturen vorteilhaft gussartigen Gefügen anzugleichen. Dabei werden die genannten Eigenschaften vorzugsweise denjenigen eines thermodynamischen oder statistischen Gleichgewichts des Materials des Formkörpers angeglichen.The structural transformation allows the material properties of additively manufactured structures to be advantageously matched to cast-like structures. The properties mentioned are preferably matched to those of a thermodynamic or statistical equilibrium of the material of the shaped body.
Obwohl der rein additive Fertigungsprozess mit der vorliegenden Erfindung durch das Herstellen der Form verkompliziert wird, ergeben sich dennoch entscheidende Vorteile für das beschriebene Verfahren sowie des damit herzustellenden Bauteils.Although the purely additive manufacturing process with the present invention is complicated by the manufacture of the mold, there are nevertheless decisive advantages for the method described and for the component to be manufactured with it.
Gleichzeitig können jedoch durch die beschriebene Erfindung die Materialeigenschaften für mittels AM hergestellter Bauteile entscheidend verbessert werden und insbesondere die vorteilhaften Eigenschaften eines Gussgefüges emuliert werden. Diese verbesserten oder günstigeren Material- oder Struktureigenschaften erlauben zweckmäßigerweise eine weit höhere Belastbarkeit, beispielsweise thermische und/oder mechanische Belastung während des Betriebs des Bauteils und das Verhindern von Rissentstehung oder -propagation, von Strukturdefekten und Materialkriechen. In Summe können also die Vorteile beider Fertigungsansätze durch die vorliegende Erfindung umgesetzt werden.At the same time, however, the described invention can decisively improve the material properties for components manufactured by means of AM and, in particular, emulate the advantageous properties of a cast structure. These improved or more favorable material or structural properties expediently allow a much higher load capacity, for example thermal and / or mechanical loading during operation of the component and the prevention of crack formation or propagation, structural defects and material creep. In total, the advantages of both manufacturing approaches can be implemented by the present invention.
Das Verfahren umfasst weiterhin das nachträgliche Entfernen der Form und gegebenenfalls das Entfernen vorhandener Kerne bzw. kernähnlicher Mittel (siehe oben). Das Entfernen kann vorteilhaft durch mechanisches Zerschlagen oder chemisches Auslaugen bzw. Ätzen erfolgen. Demgemäß kann die Form eine verlorene Form sein. Einhergehend mit dem Entfernen der Form können beispielsweise auch entsprechende Mittel zum Ausbilden der Steiger bzw. Speiser entfernt werden.The method further comprises the subsequent removal of the mold and, if necessary, the removal of existing cores or core-like agents (see above). The removal can advantageously take place by mechanical smashing or chemical leaching or etching. Accordingly, the shape can be a lost shape. Along with the removal of the mold, for example, corresponding means for forming the risers or feeders can also be removed.
In einer Ausgestaltung wird das Bauteil durch die beschriebenen Schritte bereits fertiggestellt.In one embodiment, the component is already completed by the steps described.
In einer alternativen Ausgestaltung erfordert die Herstellung des Bauteils weitere Schritte, beispielsweise Nachbehandlungsschritte, um dieses fertig zu stellen.In an alternative embodiment, the production of the component requires further steps, for example post-treatment steps, in order to complete it.
In einer Ausgestaltung wird die Form durch Außenoberflächen des Formkörpers definiert.In one embodiment, the shape is defined by the outer surfaces of the molded body.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Wärmebehandeln des Formkörpers bei einer Temperatur, welche größer ist als eine eutektische Temperatur bzw. eine, insbesondere niedrigste, Solidustemperatur des Materials des Formkörpers. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens können, wie beschrieben, vorzugsweise gerade die erforderlichen Gefügeveränderungen, insbesondere umfassend Umschmelz- und/oder Rekristallisationsprozesse provoziert oder durchgeführt werden. Wie oben angedeutet, ist dabei die Beteiligung einer vollständigen flüssigen Schmelze nicht notwendigerweise erforderlich. Daher erfordert das Verfahren auch nicht notwendigerweise das Erreichen einer Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers, sondern - beispielsweise im Falle von reinen Metallen - lediglich der eutektischen Temperatur bzw. Solidustemperatur.In one embodiment, the heat treatment of the shaped body takes place at a temperature which is greater than a eutectic temperature or a, in particular, lowest, solidus temperature of the material of the shaped body. According to this embodiment of the method, as described, preferably precisely the required structural changes, in particular including remelting and / or recrystallization processes, can be provoked or carried out. As indicated above, the involvement of a complete liquid melt is not necessarily required. Therefore, the method does not necessarily require reaching a melting temperature of the material of the shaped body, but - for example in the case of pure metals - only the eutectic temperature or solidus temperature.
Einem Fachmann ist bekannt, dass ein Überschreiten der Solidustemperatur noch nicht notwendigerweise zum vollständigen Schmelzen des Bauteils führt, sondern beispielsweise lediglich zum Verlust seiner Festigkeit oder Formfestigkeit.A person skilled in the art knows that exceeding the solidus temperature does not necessarily lead to complete melting of the component, but merely to a loss of its strength or dimensional stability, for example.
In einer Ausgestaltung wird eine Position der Steiger und/oder Speiser und des Formkörpers so gewählt, dass sich bei der Wärmebehandlung des Formkörpers im Wesentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und/oder etwaige Verunreinigungen oder Schlacken beim Schmelzprozess, insbesondere in einen Steiger verdrängt werden. Durch geeignete Maßnahmen, wie sie zum Stand der Gusstechnik bekannt sind, können durch die vorliegende Erfindung auch einkristalline bzw. gerichtet erstarrte Gefüge hergestellt werden. Demgemäß kann die durch die vorliegende Erfindung erhaltene Bauteilstruktur ähnlich oder gleich einer durch einen Gussprozess erhaltenen, insbesondere einkristallinen, gerichtet erstarrten oder stängelkristallinen, Struktur sein. Beispielsweise können diese Gefüge analog zu dem sogenannten „Bridgeman-Verfahren“ und oder mithilfe der Ausbildung einer einkristallinen Erstarrungsfront und zweckmäßigen Keimdepots und Kornselektoren hergestellt werden.In one embodiment, a position of the risers and / or feeders and the shaped body is selected such that essentially no pores or cavities form during the heat treatment of the shaped body and / or any impurities or slag are displaced during the melting process, in particular into a riser. By means of suitable measures, as are known in the prior art of casting, the present invention can also produce single-crystal or directionally solidified structures. Accordingly, the component structure obtained by the present invention can be similar or identical to a structure obtained by a casting process, in particular a monocrystalline, directionally solidified or columnar crystalline structure. For example, these structures can be analogous to the so-called “Bridgeman process” and or with the help of the formation of a single-crystal solidification front and Appropriate germ depots and grain selectors are produced.
In einer Ausgestaltung wird eine Ausbildung und/oder eine Position der Steiger bzw. Speiser an dem Formkörper berechnet, simuliert oder optimiert. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt oder einen darin enthaltenen Algorithmus oder eine entsprechende Simulationsrechnung erreicht werden. Ohne entsprechende Computerprogrammmittel oder eine entsprechende Rechenkapazität kann eine bauteilgeometrieabhängige Anordnung und Ausbildung der Steiger bzw. Speiser möglicherweise zu aufwendig sein. Mit der genannten Ausbildung der Steiger und Speiser (siehe oben) kann vorzugsweise deren Größe, Beschaffenheit, Zusammensetzung und/oder Form gemeint sein.In one embodiment, a design and / or a position of the risers or feeders on the molded body is calculated, simulated or optimized. This can be achieved, for example, using a corresponding computer program or computer program product or an algorithm contained therein or a corresponding simulation calculation. Without appropriate computer program means or a corresponding computing capacity, an arrangement and design of the risers or feeders depending on the component geometry can possibly be too complex. The mentioned design of the risers and feeders (see above) can preferably mean their size, nature, composition and / or shape.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogrammmittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.A computer program product such as a computer program means, for example, as a storage medium, e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network are provided or included. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
In einer Ausgestaltung wird ein Material oder Ausgangsmaterial für den Formkörper derart gewählt, dass chemische und/oder metallurgische Werkstoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung entstehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils, beispielsweise im Vorfeld, berücksichtigt oder ausgeglichen werden. Die Wahl des Materials für den Formkörper kann ebenfalls durch eine entsprechend berechnete oder simulierte Legierung oder Zusammensetzung computerimplementiert getroffen werden.In one embodiment, a material or starting material for the molded body is selected in such a way that chemical and / or metallurgical material changes that occur during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component, for example in advance. The choice of the material for the shaped body can also be made in a computer-implemented manner by means of a correspondingly calculated or simulated alloy or composition.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem ersten Material hergestellt.In one embodiment, the molded body is made from a first material.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall oder einer Legierung, umfassend zumindest eines dieser Materialien aufgebaut. Alternativ kann das Material des Formkörpers ein anderes Metall oder eine andere metallische Legierung umfassen.In one embodiment, the shaped body is made up of a steel or a refractory metal or an alloy comprising at least one of these materials. Alternatively, the material of the shaped body can comprise another metal or another metallic alloy.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper insbesondere seine Oberfläche, während des additiven Herstellens aus dem ersten Material gezielt mit, vorzugsweise lediglich einem einzigen Keimbildner und/oder einem Mangel an Keimbildnern versehen, um beispielsweise während der Wärmebehandlung gezielt oder vorbestimmt einen Keim zur Ausbildung einer bestimmten Kristall- oder Kornstruktur für das Bauteil bereitzustellen bzw. eine Kristallisation oder Keimbildung für ein Kornwachstum entsprechend zu unterdrücken. Dies kann beispielsweise durch eine physikalische oder chemische Konditionierung, Beschichtung, Strukturierung oder Bearbeitung der Bauteiloberfläche geschehen.In one embodiment, the molded body, in particular its surface, is specifically provided with, preferably only a single nucleating agent and / or a lack of nucleating agents during additive manufacturing from the first material, in order, for example, during the heat treatment to selectively or predeterminedly a nucleus for the formation of a specific crystal - or to provide grain structure for the component or to suppress a crystallization or nucleation for grain growth accordingly. This can be done, for example, by physical or chemical conditioning, coating, structuring or processing of the component surface.
In einer Ausgestaltung wird der wärmebehandelte Formkörper, beispielsweise durch eine weitere Wärmebehandlung und/oder heißisostatisches Pressen, nachbehandelt. Diese Nachbehandlung kann erforderlich sein, um das Bauteil mit ausreichender Strukturqualität fertig zu stellen, beispielsweise indem Risse, Defekte oder Spannungen auf diese Weise ausgeheilt werden.In one embodiment, the heat-treated shaped body is post-treated, for example by a further heat treatment and / or hot isostatic pressing. This post-treatment can be necessary in order to finish the component with sufficient structural quality, for example by curing cracks, defects or stresses in this way.
In einer Ausgestaltung erfolgt das additive Herstellen oder Aufbauen des Formkörpers mittels selektiven Laserschmelzens. Alternativ kann die Herstellung beziehungsweise der Aufbau mittels Elektronenstrahlschmelzens oder anderer additiver Verfahren erfolgen.In one embodiment, the additive manufacturing or construction of the molded body takes place by means of selective laser melting. Alternatively, the manufacture or construction can be carried out by means of electron beam melting or other additive processes.
In einer Ausgestaltung werden mindestens das Herstellen und das Entfernen der Form analog zu einem Gussverfahren, insbesondere einem Feinguss- oder Wachsausschmelzverfahren, durchgeführt.In one embodiment, at least the production and removal of the mold are carried out analogously to a casting process, in particular an investment casting or lost wax process.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches mittels des beschriebenen Verfahrens herstellbar oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin eine gussähnliche Gefügestruktur, beispielsweise eine kolumnare, stängelkristalline, gerichtet erstarrte oder einkristalline Gefüge- oder Kristallstruktur oder eine polykristalline im Wesentlichen poren- und lunkerfreie Gefügestruktur. Wie oben angedeutet, gleicht, ähnelt oder entspricht diese Kristall- oder Gefügestruktur eher einem thermodynamischen oder chemischen Gleichgewichtszustand, als dies für die Struktur des additiv aufgebauten Formkörpers ohne Wärmebehandlung der Fall wäre.Another aspect of the present invention relates to a component which can be or can be produced by means of the method described. The component further comprises a cast-like microstructure, for example a columnar, columnar crystalline, directionally solidified or monocrystalline microstructure or crystal structure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and voids. As indicated above, this crystal or microstructure is more like, similar or corresponds to a thermodynamic or chemical state of equilibrium than would be the case for the structure of the additively constructed molded body without heat treatment.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen.In one embodiment, the component is intended for use in the hot gas path of a gas turbine.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Auswählens, des Simulieren und/oder des Versehens des Formkörpers während des additiven Herstellens mit Keimbildnern oder einem Mangel an Keimbildnern durchzuführen.Another aspect of the present invention relates to a computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to perform the steps of selecting, simulating and / or providing the molded body during additive manufacturing with nucleating agents or a lack of nucleating agents perform.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren zur Herstellung des Bauteils beziehen, können ferner das Bauteil selbst oder das Computerprogrammprodukt betreffen oder umgekehrt.Refinements, features and / or advantages which in the present case relate to the method for producing the component can also Component itself or relate to the computer program product or vice versa.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.As used herein, the term "and / or" when used in a series of two or more items means that any of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 deutet eine schematische Schnittansicht einer additiven Herstellungsanlage an; -
2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung andeutet; -
3 deutet beispielhaft einen additiv hergestellten oder herstellbaren Formkörper an; -
4 deutet an, dass der Formkörper mit einer Form versehen wird; -
5 deutet eine Wärmebehandlung des Formkörpers an; -
6 deutet das Entfernen der Form an; -
7 zeigt beispielhaft eine konkrete Ausgestaltung des Formkörpers bzw. Bauteils, sowie Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens; -
8 zeigt eine zu der7 alternative Ansicht.
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1 indicates a schematic sectional view of an additive manufacturing plant; -
2 shows a simplified flow diagram which indicates method steps of the present invention; -
3 indicates, by way of example, a molded body produced or produced additively; -
4th indicates that the molded body is being provided with a shape; -
5 indicates a heat treatment of the shaped body; -
6th indicates the removal of the form; -
7th shows an example of a specific configuration of the molded body or component, as well as details of the method described; -
8th shows one to the7th alternative view.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. Entsprechend sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are fundamentally not to be regarded as true to scale; rather, individual elements can be shown exaggeratedly thick or with large dimensions for better illustration and / or for better understanding. Accordingly, the functional details disclosed here are not to be understood as restrictive, but merely as an illustrative basis that offers the person skilled in the art in this technical field instructions for using the present invention in a wide variety of ways.
Ein Formkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung kann wie unten näher beschrieben, über die Herstellungsanlage
Nach der Bestrahlung einer jeden Schicht wird die Substratplatte
Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.The component is preferably a component which is used in the hot gas path of a turbo machine, for example a gas turbine. In particular, the component can be a rotor or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, seal, a filter, a mouth or lance, a resonator, punch or a swirler designate, or a corresponding transition, insert, or a corresponding retrofit part.
Das Verfahren umfasst, a), das additive Herstellen eines Formkörpers
Das Verfahren umfasst weiterhin, b), das Ausbilden von Steigern
Das Verfahren umfasst weiterhin, c), das Herstellen einer Form
Das Verfahren umfasst weiterhin, d), das Wärmebehandeln des Formkörpers
Das Verfahren umfasst weiterhin, e), das Entfernen der Form
Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte, beispielsweise Fertigstellungsschritte umfassen, wie, f), eine Nachbehandlung oder weitere Wärmebehandlung des bereits wärmebehandelten Formkörpers
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt (vergleiche Bezugszeichen CPP in
Anhand der
Der Formkörper weist weiterhin eine Außenoberfläche
Ebenfalls lediglich beispielhaft kann der Formkörper
Ebenso kann der Formkörper
In
Eine Position eines Keims bzw. Keimbildners bzw. eine genaue Ausgestaltung des beschriebenen Kornselektors GS kann ebenfalls computerimplementiert oder zumindest teilweise mittels eines Computerprogramms oder entsprechenden Produktes berechnet, optimiert oder durchgeführt werden.A position of a nucleus or nucleator or a precise configuration of the described grain selector GS can also be computer-implemented or at least partially calculated, optimized or carried out by means of a computer program or a corresponding product.
Durch oder mithilfe des beschriebenen Computerprogrammproduktes wird beispielsweise eine Ausbildung und/oder eine Position der Steiger und/oder Speiser an dem Formkörper
Weiterhin ist in
Durch den gekrümmten Pfeil rechts neben der
Vorzugsweise wird ein Material des oder für den Formkörper
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper
Nachdem das Bauteil, wie in
Anhand der
Wie oben angeführt, sind beispielhaft eine Mehrzahl von Speisern
Ein einzelner Steiger
Die in
Weiterhin ist zu erkennen, dass Speiser
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not restricted to these by the description based on the exemplary embodiments, but rather encompasses any new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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