DE102022201013A1

DE102022201013A1 - Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente aus einer nicht oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell

Info

Publication number: DE102022201013A1
Application number: DE102022201013.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Haberland; Michael Ott
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente aus einer nicht oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell angegeben. Das Verfahren umfasst, (a), nicht fehlerfreies additives Aufbauen der Bauteilkomponente (10) aus einem nicht oder schwer schweißbaren metallischen Ausgangswerkstoff durch selektives Schmelzen aus einem Pulverbett, wobei die Bauteilkomponente (10) einen Hohlraum aufweist, (b), Infiltrieren des Hohlraums (11) mit einem Schlicker (1), (c), Sintern der infiltrierten Bauteilkomponente (10) und Verfestigen des Schlickers (1), wobei ein hybrider Gusskern hergestellt wird, (d), Herstellen einer Formschale (2) um den hybriden Gusskern herum, (e), Brennen der Formschale (2) bei einer Temperatur, die kleiner ist als eine Schmelztemperatur des Bauteilmaterials und, (f), Abgie-ßen der Bauteilkomponente (10) und dabei erneutes Aufschmelzen und Verfestigen des Bauteilmaterials in der Formschale (2). Weiterhin wird eine entsprechend hergestellte Bauteilkomponente angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente aus einer nicht oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell, sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil oder einen Bauteilabschnitt wie eine Subkomponente.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine im bestimmungsgemäßen Betrieb kühlbare bzw. zu kühlende komplexe Komponente mit einem Hohlraum, einer Kühlkavität einem Plenum oder einem Netzwerk aus subkutanen Kühlkanälen zur Ausbildung einer wand- oder oberflächennahen Kühlung (vgl. „in-wall-“ oder „near-wall cooling“).
Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln.
In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationsenergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, am Ende dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann.
Design und Materialeigenschaften von Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Entwicklung, um Funktionalität und/oder Einsatzgebiete der entsprechenden Bauteile im Einsatz zu steigern bzw. zu erweitern. Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, zielt die Entwicklung häufig auf immer höhere Einsatztemperaturen. Um beispielsweise den Herausforderungen sich wandelnder industrieller Anforderungen gerecht zu werden, erstrebt die Entwicklung insbesondere eine Festigkeitssteigerung, erhöhte thermomechanische Belastbarkeit und Lebensdauer solcher Bauteilstrukturen.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten komplexen Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing“), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren 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 Fertigungsverfahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen 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.
Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien oder Konzepten, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.
Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach.
Ein Gasturbinenbauteil mit Innenmodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung unter Verwendung von selektivem Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus DE 10 2014 220 787 A1 .
Weiterhin beschreibt WO 2020/234295 A1 ein additives Herstellungsverfahren eines Formkörpers, die Herstellung einer Form und eine entsprechende Wärmebehandlung.
Sowohl konventionelle Feingussprozesse als auch Feingussprozesse zur Herstellung von einkristallinen oder kolumnar oder gerichtet erstarrenden Komponenten unterliegen Restriktionen hinsichtlich erzielbarer Komplexität und Feinheit. So ist die gusstechnische Fertigung z. B. von Turbinenschaufeln mit „near-wall-cooling“ mit Methoden des Standes der Technik nicht möglich.
Die additive Fertigung ist grundsätzlich in der Lage, solch filigrane und komplexe Geometrien zu realisieren. Jedoch kann die additive Fertigung bislang keine Werkstoffe bereitstellen, die sich einerseits defektfrei additiv verarbeiten oder aufschweißen lassen und andererseits die für diese Komponenten geforderten Hochtemperatureigenschaften aufweisen. Typische Turbinenschaufelwerkstoffe gelten als nicht oder schwer schweißbar, da sie einerseits zur Defektbildung im LPBF Prozess, wie Heiß- und Erstarrungsrissen, tendieren (vgl. „solidification cracking“, „liquation cracking“, „hot cracking“, und „grain boundary tearing“) und andererseits eine hohe Anfälligkeit für Rissbildung in der anschließenden Wärmebehandlung aufweisen (sogenanntes „strain age cracking“).
Etablierte konventionelle Fertigungsmethoden können die geforderten Geometrie- oder Formgebungsfreiheit also bislang nicht oder nicht hinreichend erzeugen. Auf der anderen Seite kann eine diese Formgebungsfreiheit grundsätzlich bietende (additive) Fertigungsmethode die erforderlichen Materialien und Werkstoffe aufgrund der beschriebenen mangelnden Schweißbarkeit nicht oder nicht hinreichend verarbeiten.
Es bestehen zwar diverse „additive“ Ansätze, verbesserte Materialien oder Werkstoffe metallurgisch oder legierungstechnisch bereitzustellen und prozesstechnisch zu verarbeiten. Die metallurgischen und (thermo-)physikalischen Vorgänge, welche für die Defektbildung und Erstarrungskinetik verantwortlich sind, können aber bislang bei weitem nicht vollends eliminiert werden.
Grundsätzlich weisen additiv gefertigte Komponenten eine geringere Korngröße auf als beispielsweise gegossene Komponenten und sind daher per se in der Hochtemperaturfestigkeit unterlegen.
Auch rein gießtechnisch bestehen immerhin einige Ansätze, die Komplexität und Formgebung weiter zu steigern. Jedoch reichen auch diese Fortschritte bislang bei weitem nicht aus, sich auch in den genannten Hochleistung-Materialklassen - bei gleichzeitig gleichbleibender Materialfestigkeit und Rissresistenz - zu manifestieren.
Für das aufgezeigte Dilemma zwischen hinreichender geometrischer Auflösung komplexer Strukturen und der Schweißbarkeit bzw. Möglichkeit der Verarbeitung insbesondere von Superlegierungen, gibt es aktuell keine zufriedenstellende Lösung.
Folglich besteht ein strenger Bedarf, auf diesem Gebiet technische Fortschritte zu erzielen und dadurch direkt in den Einsatzbereich und die Lebensdauer beispielsweise von im Heißgas einer Gasturbine eingesetzten Bauteilkomponenten zu vergrößern bzw. zu erhöhen. Gleichzeitig wäre dann eine signifikante Erhöhung der Einsatztemperatur und damit die deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades (vgl. „Carnot-Wirkungsgrad“) erreichbar. Angesichts der Herausforderungen im Energiesektor und entsprechenden klimapolitischen Anforderungen, wird die Forderung nach neuen Lösungen evident.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie ein entsprechend strukturell und/oder performant deutlich verbessertes Bauteil anzugeben, insbesondere die oben angezeigte technische Problematik zu lösen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente, Subkomponente bzw. einem Formrohling für das Bauteil aus einer nicht, kaum oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell. Vorzugsweise handelt es sich vorliegend entsprechend zumindest teilweise oder grundsätzlich um ein Gussverfahren, welches das defektbehaftete oder nicht (ganz) fehlerfreie additive Aufbauen der Bauteilkomponente oder des entsprechenden Bauteilabschnitts aus einem nicht oder schwer schweißbaren metallischen Ausgangswerkstoff durch selektives Schmelzen, insbesondere selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen aus einem Pulverbett umfasst, wobei die Bauteilkomponente vorzugsweise einen Hohlraum, eine Kavität oder einen Kühlkanal bzw. ein Kühlkanalsystem aufweist.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Infiltrieren des genannten Hohlraums oder Kanals mit einem Schlicker oder einem Keramikbildner. Das genannte Infiltrieren kann insbesondere durch Einleiten des Schlickers mit oder ohne Druckunterstützung bzw. Verpressen des Schlickermaterials erfolgen.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Sintern der infiltrierten Bauteilkomponente und das Verfestigen des Schlickers. Wie angedeutet, kann das genannte Sintern erst nach einem Verpressen der Bauteil- oder Subkomponente mit dem Keramikmaterial erfolgen. Durch das Sintern wird ein hybrider Gusskern geformt, bestehend aus dem keramischen verfestigten Schlickermaterial und der (metallischen) additiv hergestellten Bauteilstruktur.
In einer Ausgestaltung wird eine Form bzw. Dimension der herzustellenden Komponente (von vornherein) derart gewählt, dass ein Sinterschwund des Schlickers während der Wärmebehandlung berücksichtigt und/oder ausgeglichen wird. Mit anderen Worten berücksichtigt die additiv herzustellende Bauteilform vorteilhafterweise von vornherein einen erst nachträglich bzw. während des Sinterns auftretenden Schwund der Keramik bzw. des Schlickers.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Herstellen einer Formschale um den hybriden Gusskern herum. Dies erfolgt beispielsweise durch Einbringen des hybriden Gusskernes in ein Modell- oder Wachswerkzeug für die Herstellung der Endkomponente. Unter Umständen kann dieser Herstellungsschritt auch zumindest teilweise vor der oben genannten Il Infiltration des Schlickermateriales erfolgen.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Brennen oder Wärmebehandeln der Formschale bei einer Temperatur, die kleiner ist als eine Schmelztemperatur des Bauteilmaterials bzw. eines entsprechenden Zielwerkstoffes. Durch diesen Schritt kann insbesondere vorteilhaft sichergestellt werden, dass die metallische Komponente die filigranen Strukturen, beispielsweise zu kühlenden Bauteilwände, beim nachfolgenden Abguss oder Einfüllen einer flüssigen Schmelze stützt und dann erst aufgeschmolzen wird.
Das Verfahren umfasst schließlich das Abgießen oder Gießen der Bauteilkomponente, insbesondere durch entsprechende Wärmebehandlung, und dabei erneutes Aufschmelzen und Verfestigen des Bauteilmaterials in der Formschale, wobei die Geometrie des Hohlraums bzw. der diesen bildenden Struktur erhalten bleibt.
Vorteilhafterweise wird durch die beschriebene Lösung ein Formgebungsfreiheitsgrad gusstechnischer Verfahren maßgeblich erweitert, womit die geometrische Auflösung von komplexen Bauteilstrukturen, wie zur Kühlung vorgesehenen Kavitäten entscheidend verbessert und letztendlich auf das Niveau additiver Ansätze gehoben werden kann. Gleichzeitig weist die fertig auf diesem Wege hergestellte Struktur deutlich verbesserte thermomechanische Eigenschaften, insbesondere durch eine deutlich verringerte Defektdichte, verbesserte Kriecheigenschaften (durch vergrößerte Metallkörner) auf. Mithin ist es unter dieser Prämisse möglich, die Bauteilkomponente mit einer gerichtet erstarrten oder sogar einkristallinen Bauteilstruktur auszustatten, welche selbstverständlich in puncto Hochtemperatureigenschaften gegenüber konventionellen Ansätzen ebenfalls deutlich überlegen ist.
In einer Ausgestaltung ist der Hohlraum bzw. die Kühlkavität der Bauteilkomponente derart klein bemessen, dass er über eine Kernherstellung in der konventionellen Technik nicht abgebildet bzw. hergestellt oder definiert werden kann. Wie oben beschrieben, ermöglicht gerade die Modellierung der Ausgangskomponente auf additivem Wege die Strukturfeinheit des Bauteils.
In einer Ausgestaltung werden (insbesondere unmittelbar) nach dem additiven Aufbau der Bauteilkomponente Nachbehandlungsschritte durchgeführt, wie das Verfestigen, Verdichten und/oder Verformen von Bauteiloberflächen („shock-peening“) bzw. heißisostatisches Pressen. Durch diese Ausgestaltung kann eine Oberflächenporosität der Bauteiloberfläche vorteilhafterweise geschlossen und die Struktur so für den Gussprozess abgedichtet werden.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Entformen der gegossenen bzw. abgegossenen Bauteilkomponente. Mit anderen Worten wird die Formschale entfernt.
In einer Ausgestaltung stellt die Bauteilkomponente einen Teil oder ein Gesamt einer Gasturbinenkomponente dar, zum Beispiel einen An- oder Abströmkantenabschnitt oder eine Schaufelspitze einer Turbinenlaufschaufel mit sogenannter Wand- oder Filmkühlungsfunktion.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteilmaterial bzw. der dafür vorgesehene (pulverförmige) Ausgangswerkstoff eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere CM 247 oder Mar M 247 bzw. ein entsprechendes Derivat. Dieser Ausgangswerkstoff oder Legierungen gelten als typischerweise aufgrund der skizzierten Rissproblematik und Defektbildung bei Schweißprozessen, umfassend auch selektive Laserschmelzprozesse, nicht schweißbar.
In einer Ausgestaltung ist das Verfahren ein Gussverfahren zur Erzielung einer kolumnaren bzw. gerichtet erstarrten oder erstarrenden Struktur (DS-Struktur), einer konventionell erstarrten Struktur (CC-Struktur) oder einer einkristallinen Bauteilstruktur (sogenannte SX-Struktur).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bauteilkomponente, welche gemäß dem beschriebenen Verfahren herstellbar oder hergestellt ist, wobei die Komponente ein Teil oder ein Gesamt eines komplexen, kühlbaren Bauteils, wie eines heißgasbeaufschlagten Teils einer Gasturbine ist, wobei der Hohlraum, insbesondere ein Kühlkanal, der Komponente eine Abmessung hat, die über eine Kernherstellung in der konventionellen Gusstechnik nicht herstellbar ist.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf Verfahren beziehen, können ferner das Bauteil bzw. die Komponente direkt betreffen, und umgekehrt. Es ist evident, dass die genannten prozeduralen Vorteile untrennbar mit den strukturellen Vorteilen des Bauteils verbunden sind bzw. die vorteilhaften Merkmale des Bauteils (siehe oben) unmittelbar durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgeprägt werden.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“ oder „bzw.“, 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.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, andeutend die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt - ebenfalls schematisch - Merkmale des genannten Verfahrens andeutend - eine beispielhafte Bauteilkomponentenausgestaltung als Anströmkantenabschnitt mit einer wandnahen Kühlfunktionalität.
3 zeigt in ähnlicher Weise wie die 2 einen erfindungsgemäßen Abströmkanten-Schaufelabschnitt.
4 zeigt in ähnlicher Weise wie die 2 und 3 einen Schaufelspitzenabschnitt als erfindungsgemäße Bauteilkomponente.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö-ßenverhältnisse 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ein Gussverfahren bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente aus einer nicht oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell.
Das Verfahren umfasst zunächst, angedeutet durch das Bezugszeichen a) bzw. LPBF (für „Laser Powder Bed Fusion) das additive Aufbauen einer Bauteilkomponente 10 bzw. einer Subkomponente oder eines entsprechenden Bauteilabschnitts aus einem nicht oder schwer schweißbaren metallischen Ausgangswerkstoff durch selektives Schmelzen aus einem Pulverbett.
Bei diesen Pulverbett-Verfahren wird auf eine nicht näher dargestellte Bauplattform üblicherweise eine Pulverschicht aufgerakelt und diese über einen Energiestrahl, wie einen Laser oder einen Elektronenstrahl, gemäß der vorbestimmten Bauteilstruktur selektiv bestrahlt und verfestigt. Nach jeder Schicht wird die Bauplattform vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt. Die Dicke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 und 40 um, so dass der gesamte Prozess leicht die selektive Bestrahlung von Tausenden bis hin zu Zehntausenden von Schichten umfassen kann. Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Energieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 10⁶ K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß kann dementsprechend während oder nach dem Aufbau auch ein Verspannungszustand des Bauteils ausfallen.
Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD Datei („Computer-Aided-Design“) festgelegt. Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“), wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt.
Wie angedeutet ist bei diesen Prozessen davon auszugehen, dass diese Subkomponenten (vorliegend Zwischenprodukte) nicht defektfrei sind, sondern die üblichen (auf additivem Weg zu erwartenden) Defekte aufweisen.
Die erfindungsgemäße Komponente weist vorzugsweise weiterhin einen filigranen und/oder wandnahen Hohlraum auf, womit die entsprechende Formgebung weiterhin für additive Herstellungsrouten prädestiniert ist, welche im Folgenden prinzipiell beschrieben werden (nicht explizit gekennzeichnet).
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst optional oder je nach Erfordernis weiterhin nach dem additiven Aufbau der Bauteilkomponente Nachbehandlungsschritte, wie das Verdichten und/oder Verformen von Bauteiloberflächen, beispielsweise mittels shock-peening, wodurch beispielsweise Eigenspannungen in der Oberfläche erzeugt werden können, bzw. heißisostatisches Pressen (vgl. Bezugszeichen HIP). Dies kann vorteilhaft zur Reduktion der Defektdichte beitragen.
Das vorliegende Verfahren kann selbstverständlich die parallele additive Herstellung einer Mehrzahl von simultan herzustellenden Subkomponenten umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin, (b), Infiltrieren des Hohlraums 11 mit einem Schlicker 1.
Eine Druckunterstützung kann unter Umständen zur Ausfüllung genutzt werden. Diese infiltrierten Subkomponenten werden dann entweder direkt gesintert, sodass der Schlicker verfestigt ist oder mit dem eigentlichen Gusskern zunächst verpresst und dann gemeinsam gesintert.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin, (c), Sintern der infiltrierten Bauteilkomponente 10 und Verfestigen des Schlickers 1, wobei ein hybrider Gusskern hergestellt wird.
Eine Form bzw. Maße des (additiv) aufzubauenden Komponentenrohlings werden vorzugsweise von vornherein derart gewählt oder angepasst, dass ein Sinterschwund des Schlickers während der Wärmebehandlung beim Sintern bzw. Brennen ausgeglichen wird.
Der so entstandene hybride Gusskern - bestehend aus dem keramischen Kern und der/den metallischen Subkomponente - wird dann in die Formschale oder ein entsprechendes Modellwerkzeug zum Wachsausschmelzen eingebracht. Im eigentlichen Gussprozess wird die LPBF Subkomponente erneut aufgeschmolzen und ist somit eine „verlorene“ Subkomponente. Dabei erzeugt sie aber zusammen mit der materialgleichen Gussschmelze eine homogene Schmelze, wobei die komplexe Geometrie erhalten bleibt. Dabei spielt es nun keine Rolle mehr, ob die ehemalige Subkomponente Schweißfehler oder Wärmebehandlungsdefekte aufwies, da das Material wieder aufgeschmolzen wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die feine LPBF-Mikrostruktur wieder aufgeschmolzen wird und die langsame und ggf. gerichtete Erstarrung im Gussprozess in der Lage ist, größere Körner zu erzeugen und somit die LPBF-inhärenten Materialdebits zu korrigieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin, (d), Herstellen einer Formschale 2 um den hybriden Gusskern herum (vgl. 2) bzw. das Einbringen des hybriden Gusskerns in das Wachs- oder Formwerkzeug. Dies kann entweder als hybrider Kern geschehen oder getrennt sowie durch konventionelle Methoden, wie Wachsausschmelzen oder artverwandte Methoden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin, (e), Brennen der Formschale 2 bei einer Temperatur, die kleiner ist als eine Schmelztemperatur des Bauteilmaterials bzw. des metallischen Zielwerkstoffs, weil dadurch sichergestellt ist, dass die metallische Komponente die filigranen Strukturen beim Abguss/beim Einfüllen der flüssigen Schmelze stützt und dann erst aufgeschmolzen wird.
Durch das beschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise jede durch konventionelle Gusstechnik erzielbare Materialstruktur, möglicherweise sogar eine demgegenüber verbesserte Bauteilstruktur erzielt werden, beispielsweise eine kolumnar bzw. gerichtet erstarrende Struktur, einer konventionell erstarrenden Struktur oder sogar eine einkristalline Struktur.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin (f), Abgie-ßen der Bauteilkomponente 10 und dabei insbesondere erneutes Aufschmelzen und Verfestigen des Bauteilmaterials in der Formschale 2, wobei die komplexe Geometrie des Bauteils zweckmäßigerweise erhalten bleibt. Der genannte Abguss erfolgt vorzugsweise derart, dass der metallische Anteil des hybriden Kerns zunächst nicht schmilzt und den keramischen Teil stützt, dann aber über Wärmeleitung sukzessive der metallische Anteil mit dem Gussmaterial aufgeschmolzen wird und eine homogene Schmelze aus dem Zielwerkstoff erzeugt.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren weiterhin, (g), das Entformen der gegossenen Bauteilkomponente 10 bzw. das Entfernen der Formschale 2.
Der Hohlraum 11 soll synonym für jedwede Kavität oder Kühlfunktionalität der komplexen Bauteilgeometrie stehen und ist in den 2, 3 und 4 lediglich schematisch anhand von gestrichelten Linien angedeutet. Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit kann es sich bei dem Hohlraum 11 weiterhin um jedwede Form eines Kühlluft-Plenums („feed plenum“) oder sogenannten „In-Wall-Cooling“, „Film-Cooling“, Fluid-Austrittsführungen oder entsprechenden Turbulatoren handeln.
Der Hohlraum 11 ist erfindungsgemäß vorzugsweise derart klein bemessen, dass er über eine Kernherstellung in der konventionellen Gusstechnik nicht abgebildet werden kann.
Grundsätzlich ist die Bauteilkomponente 10 vorzugsweise ein Teil oder eine Subkomponente, welche im Heißgaspfad einer Turbine bestimmungsgemäß eingesetzt wird, z. B. ein An- oder Abströmkantenabschnitt einer Turbinenlaufschaufel mit sogenannter Nah- oder Nahwandkühlung.
Demgemäß ist das Bauteilmaterial bzw. bereits ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff dafür eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere CM 247 oder Mar M 247, oder ein entsprechendes Derivat.
Die in den 2, 3 und 4 gezeigten erfindungsgemäßen Bauteilkomponenten werden vorzugsweise hergestellt durch das beschriebene Verfahren, hergestellt und betreffen gemäß 2 einen Anströmkanten-Schaufelabschnitt. Fluid- oder Strömungsanlässe können beispielhaft mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet sein.
Analog zeigt die 3 (jedoch ohne erneut schematisch eine Formschale für die Herstellung zu kennzeichnen) einen entsprechenden schematisch dargestellten Teil eines Abströmkantenabschnitts.
Schließlich zeigt die 4 in der vereinfachten und schematischen Ansicht einen Teil eines Schaufelspitzen-Abschnitts mit entsprechenden Austrittsöffnungen 12.
Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Ringsegment, ein Brennkammer- oder Brennerteil, wie eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
Vorzugsweise jedoch betrifft das erfindungsgemäße Bauteil ein heißgasbeaufschlagtes Teils einer Gasturbine ist, wobei ein Hohlraum, insbesondere ein Kühlkanal 11.
Bei dem Bauteil 10 kann es sich weiterhin um ein anderes Bauteil einer Strömungsmaschine oder für einen anderen Zweck handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014220787 A1 [0011]
WO 2020234295 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer komplexen Bauteilkomponente aus einer nicht oder schwer schweißbaren Legierung mit verlorenem Modell, umfassend die folgenden Schritte: - (a) nicht fehlerfreies additives Aufbauen der Bauteilkomponente (10) aus einem nicht oder schwer schweißbaren metallischen Ausgangswerkstoff durch selektives Schmelzen aus einem Pulverbett, wobei die Bauteilkomponente (10) einen Hohlraum aufweist, - (b) Infiltrieren des Hohlraums (11) mit einem Schlicker (1), - (c) Sintern der infiltrierten Bauteilkomponente (10) und Verfestigen des Schlickers (1), wobei ein hybrider Gusskern hergestellt wird, - (d) Herstellen einer Formschale (2) um den hybriden Gusskern herum, - (e) Brennen der Formschale (2) bei einer Temperatur, die kleiner ist als eine Schmelztemperatur des Bauteilmaterials, und - (f) Abgießen der Bauteilkomponente (10) und dabei erneutes Aufschmelzen und Verfestigen des Bauteilmaterials in der Formschale (2).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Form der herzustellenden Komponente derart gewählt wird, dass ein Schwund des Schlickers während des Sinterns berücksichtigt bzw. ausgeglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum (11) derart klein bemessen ist, dass er über eine Kernherstellung in der konventionellen Gusstechnik nicht abgebildet werden kann.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem additiven Aufbau der Bauteilkomponente (10) Nachbehandlungsschritte durchgeführt werden, wie das Verfestigen und/oder Verformen von Bauteiloberflächen bzw. hei-ßisostatisches Pressen (HIP).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend, (g), das Entformen der gegossenen Bauteilkomponente (10) .
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauteilkomponente (10) einen Teil einer Gasturbinenkomponente darstellt, z. B. einen An- oder Abströmkantenabschnitt einer Turbinenlaufschaufel mit sogenannter Nah- oder Nahwandkühlung.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteilmaterial eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere CM 247 oder Mar M 247, ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Gussverfahren zur Erzielung einer kolumnar bzw. gerichtet erstarrten Struktur, einer konventionell erstarrten Struktur oder einer einkristallinen Struktur ist.
Bauteilkomponente (10) hergestellt durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Teil eines komplexen, kühlbaren Bauteils, wie eines heißgasbeaufschlagten Teils einer Gasturbine ist, wobei ein Hohlraum, insbesondere ein Kühlkanal (11), der Komponente eine Abmessung hat, die über eine Kernherstellung in der konventionellen Gusstechnik nicht herstellbar ist.