DE102022212072A1 - Mischung aus keramischem Pulver und zwei metallischen Pulvern und Verfahren - Google Patents
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- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Pulvermischung zur Herstellung eines zumindest teilweise gesinterten Bauteils aus Keramik und Metall, wobei das Metall vorzugweise aus einer Legierung besteht, wobei die Pulvermischung zumindest aufweist: zumindest ein keramisches Pulver und zumindest zwei metallische Pulver, insbesondere nur zwei metallische Pulver, bei denen die Schmelztemperaturen der metallischen Pulver deutlich unterschiedlich sind, insbesondere der Unterschied in den Schmelztemperaturen mindestens 50K beträgt, und wobei die metallischen Pulver beim Verschmelzen die gewünschte Zusammensetzung der Legierung des Metalls für das Bauteil ergeben.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischung aus keramischen Pulver und 2 metallischen Pulvern und ein Verfahren.
- Eine Steigerung des Wirkungsgrades einer Gasturbine kann neben der Erhöhung der Verbrennungstemperatur auch über die Reduktion des Gewichts bestimmter Komponenten erreicht werden. Hier bieten metallo-keramische Verbundwerkstoffe als eine relativ neue Werkstoffklasse Vorteile gegenüber den herkömmlich eingesetzten Werkstoffen. Durch die breit einstellbare Zusammensetzung können die resultierenden Eigenschaften wie z.B. Gewicht, Verschleißbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität, Spannungen im Betrieb über weite Grenzen optimiert werden.
- Durch die variable Zusammensetzung der metallo-keramischen Materialen können Komponenten für die Gasturbine derart ausgelegt werden, dass sie für die anstehenden Belastungen optimiert konstruiert werden können.
- Mögliche Anwendungsbeispiele stellen Hitzeschildplatten, Brennereinsätze und Ringsegmente dar, aber auch Anwendungen im kalten Strang, wie zum Beispiel Verdichterschaufeln sind denkbar.
- Die Herstellung der Werkstoffe erfolgt dabei durch Mischung und Granulierung von Keramik- mit Metallpulvern in beliebigen Mischungsverhältnissen.
- Die meisten Formgebungsverfahren, die in der konventionellen keramischen Fertigung Verwendung finden (z.B. Extrudieren, Gießen, Pressen etc.) sowie der 3D- Druck, können für die Herstellung der Bauteile verwendet werden.
- Als Ausgangspulver dienen metallische Pulver. Die keramischen Bestandteile liegen ebenso diskontinuierlich verteilt als Pulver vor.
- Die keramischen Rohstoffe werden aus der Schmelze, durch Sintern oder aus Lösungen synthetisiert und anschließend fraktioniert.
- Der Prozess beinhaltet eine Sinterung unter Schutzatmosphäre, z.B. Argon Gas, eventuell begleitet von einer zusätzlichen Wärmebehandlung in oxidierender Atmosphäre.
- Die bei der Sinterung herrschenden Temperaturen übersteigen schnell die maximal zulässige Temperatur der metallischen Bestandteile der Komposite und führen zu einer ungewollten Veränderung (z.B. incipient melting) der Eigenschaften und einer Limitierung der Einsatzmöglichkeiten.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine physikalische Mischung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6.
- In den Unteransprüchen sind weitere Vorteile aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine Absenkung des Schmelzpunktes des metallischen Anteils.
- Gelöst wird das beschriebene Problem dadurch, dass die einzelnen chemischen Bestandteile der ursprünglichen metallischen Legierung in einen hochschmelzenden und einen separaten niedrigschmelzenden Pulveranteil zerlegt werden, welche in Kombination wieder die gewünschte chemische Zusammensetzung der ursprünglichen Legierung abbilden.
- Dieses Prinzip von hochschmelzenden und einen separaten niedrigschmelzenden Pulveranteil ist der
US 2022/0226904 A1 beschrieben. - Bei der Sinter-Wärmebehandlung, die dann bei geringerer Temperatur stattfinden kann, schmilzt nur der niedrigschmelzende Anteil auf und umschließt sowohl den hochschmelzenden Pulveranteil als auch die keramischen Partikel. In der abschließenden Standard-Wärmebehandlung erfolgt die Homogenisierung der Zusammensetzung und Ausbildung des Gefüges, die der ursprünglichen metallischen Legierung entspricht.
- Es werden keine bekannten Schmelzpunkterniedriger wie Bor (B) oder Silizium (Si) zusätzlich verwendet oder deren Anteile werden nicht erhöht, um eine Absenkung des Schmelzpunktes zu erzielen. Bekannte DS oder SX-Nickelbasiswerkstoffe enthalten auch Bor oder Silizium.
- In Abgrenzung zu den bekannten ODS-Legierungen, bei denen auf atomarer Ebene feinstverteilte Oxide vorliegen, handelt es sich bei den metallo-keramischen Werkstoffen um Beimengungen auf makroskopischer Ebene. In Unterscheidung zu den bekannten MMC-Werkstoffen (Metal Matrix Composites, bei denen niedrigschmelzende Werkstoffe wie z. B. Aluminium und Magnesium eingesetzt werden, kommen hier hochschmelzende Ni- oder Co-Basislegierungen zur Anwendung.
- Legierungselemente sind Ni-Co-Cr-Al-Mo-Ta-Ti-W-C oder Variationen davon aber auch mit Nb, Zr, Hf sowie aber auch mit B, Si. Legierung für das herzustellende Bauteil weist IN 738, IN 939 (siehe Figur) oder eine andere Legierung gemäß Figur auf oder Alloy247 gemäß folgender Tabelle auf Nickelbasis
Min Max C 0,07 0,09 Cr 7,5 8,5 Co 9 9, 5 W 9, 3 9, 7 Mo 0,4 0, 6 Ta 3, 1 3,3 Al 5, 4 5, 7 Ti 0, 6 0, 9 B 0, 01 0, 02 Hf 1,4 1,6 Zr 0, 007 0, 15 Mg 0 0,008 Si 0 0, 03 Mn 0 0,1 Rest Nickel. - Als Ausgangspulver dienen Ni- oder Co-Basislegierungen, bei denen die metallischen Ausgangspulver eine bestimmte Korngröße aufweisen.
- Die keramischen Bestandteile weisen vorzugsweise eine feinere Korngröße als das Metallpulver vor. Pulver weisen immer eine Korngrößenverteilung auf, wobei dann ein d50 -Wert charakteristisch ist.
- Der Unterschied im d50 -Wert der zwei metallischen Pulver liegen bei mindestens 10 Mikrometer, insbesondere bei mindestens 20Mikrometern.
- In einer Variante dieser Idee ist die Beschichtung des hochschmelzenden Pulvers mit dem niedrigschmelzenden Pulver denkbar.
- 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
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- US 20220226904 A1 [0016]
Claims (8)
- Pulvermischung zur Herstellung eines zumindest teilweise gesinterten Bauteils aus Keramik und Metall, wobei das Metall vorzugweise aus einer Legierung besteht, wobei die Pulvermischung zumindest aufweist: zumindest ein keramisches Pulver und zumindest zwei metallische Pulver, insbesondere nur zwei metallische Pulver, bei denen die Schmelztemperaturen der metallischen Pulver deutlich unterschiedlich sind, insbesondere der Unterschied in den Schmelztemperaturen mindestens 50K beträgt, und wobei die metallischen Pulver beim Verschmelzen die gewünschte Zusammensetzung der Legierung des Metalls für das Bauteil ergeben.
- Pulvermischung nach
Anspruch 1 , bei dem das niedrig schmelzende metallische Pulver auf dem hoch schmelzenden metallischen Pulver als Beschichtung vorhanden ist. - Pulvermischung nach
Anspruch 1 oder2 , bei dem die Legierung für das herzustellende Bauteil Alloy247, IN 738 oder IN 939 aufweist. - Pulvermischung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 oder3 , bei dem die Keramik eine Oxidkeramik aufweist, insbesondere Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid aufweist, oder auch Mischungen von Keramiken. - Pulvermischung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 ,3 oder4 , bei dem der Unterschied in den Schmelztemperaturen der metallischen Pulver mindestens 100K, insbesondere mindestens 200K, ganz insbesondere mindestens 300K beträgt. - Pulvermischung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 ,3 ,4 oder5 , bei dem der Unterschied im d50 -Wert der zwei metallischen Pulver bei mindestens 10 Mikrometer, insbesondere bei mindestens 20Mikrometern, liegt. - Verfahren zur Herstellung eines Keramik Metall Bauteils, bei dem eine Pulvermischung gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 ,3 ,4 oder5 , gesintert wird. - Verfahren nach
Anspruch 7 , bei dem die Sintertemperatur mindestens 10K, insbesondere mindestens 20K über der Schmelztemperatur des metallischen Pulvers mit der niedrigeren Schmelztemperatur liegt.
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