DE10236047A1

DE10236047A1 - Herstellung eines Metallschaumkörpers

Info

Publication number: DE10236047A1
Application number: DE10236047A
Authority: DE
Inventors: Georg Fanta; Rainer Bohn; Thomas Klassen; Ruediger Bormann
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2003-05-08
Also published as: WO2003015964A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers aus einem Metallpulver sowie einen Metallschaumkörper. Ferner betrifft die Erfindung die Vewendung eines Edelgases. DOLLAR A Das Verfahren wird erfindungsgemäß mittels der Schritte ausgeführt: DOLLAR A - Einbringen wenigstens eines Gases oder Gasgemisches in das Metallpulver und Herstellung einer Mischung DOLLAR A - Verdichten der Mischung DOLLAR A - Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers aus einem Metallpulver sowie einen Metallschaumkörper. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines Edelgases.
Es sind Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkörpern bekannt, bei denen einem Legierungspulver oder einer Pulvermischung aus Legierungsbestandteilen ein gasabspaltendes Treibmittel beigefügt wird. Hieraus wird ein unaufgeschäumtes Halbzeug hergestellt und dieses Halbzeug anschließend durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes der Metallegierung, zum Aufschäumen gebracht. Anschließend wird der aufgeschäumte Körper abgekühlt. Das Aufschäumen des Halbzeuges kann frei oder in einer Form erfolgen.
Eine Möglichkeit Metallschäume aus hochschmelzenden Legierungen, z. B. TiAl-Legierungen herzustellen, besteht darin, das Pulver der Legierungen zu offenporigen Schäumen zu sintern. Dabei betragen die Dichten zwischen 60 und 80%, weil es sich um massive Pulverteilchen handelt. Eine weitere Möglichkeit der Metallschaumherstellung wird durch die Beschichtung von Styroporkugeln und eine nachfolgende Sinterung erreicht, wobei die Styroporkugeln ausgebrannt werden. Diese beiden genannten Verfahren zur Metallschaumherstellung aus hochschmelzenden Legierungen sind jedoch sehr aufwendig.
Darüber hinaus ist bekannt, niedrigschmelzende Metalle aufzuschäumen, indem Hydride zugesetzt werden, die bei erhöhter Temperatur Wasserstoff freisetzen. Da keine Hydride bekannt sind, die erst bei Temperaturen über 600°C zerfallen, sind diese Treibmittel für die Metallschaumherstellung nur für niedrigschmelzende Legierungen einsetzbar.
Aus DE-A-198 10 979 ist ein Herstellungsverfahren bekannt, bei dem einem Metallpulver mindestens ein gasabspaltendes Treibmittelpulver beigefügt wird. Die Aufschäumung erfolgt durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, so daß das Treibmittel das eingeschlossene Gas freisetzt. Dieses bekannte Verfahren ist allerdings ungeeignet, Schäume aus hochschmelzenden Legierungen herzustellen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Metallschäumen aus Legierungen, z. B. Titanaluminium-Legierungen, oder die Aufschäumung von keramikartigen Werkstoffen bzw. Hartmetallen zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines Metallschaumkörpers aus einem Metallpulver, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: Einbringen wenigstens eines Gases oder Gasgemisches in das Metallpulver und Herstellung einer Mischung, Verdichten der Mischung, Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen. Durch die Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Aufschäumtemperatur ausschließlich vom aufzuschäumenden Werkstoff, d. h. der Mischung, abhängig ist. Hierdurch vereinfacht sich die Temperaturführung bei der Metallschaumherstellung erheblich, da im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden keine vorzeitige Treibmittelfreisetzung erfolgt. Das als Treibmittel verwendete Gas oder Gasgemisch reagiert erfindungsgemäß dabei nicht mit den aufzuschäumenden Werkstoffen irreversibel zu stabilen Verbindungen.
Bevorzugterweise erfolgt das Einbringen des Gases bzw. Gasgemisches in das Metallpulver mittels Hochenergiemahlen. Durch das Hochenergiemahlen wird der Anteil des Gases bzw. Gasgemisches in das Metallpulver deutlich erhöht. Bspw. wurde festgestellt, daß bei Ti-45Al-2.4 Si der Anteil von Argon 56 µg/g und bei Ti-48Al-0.5 Si der Argon-Anteil bei 67 µg/g lag, wobei die anfängliche Konzentration jeweils bei weniger als 1 µg/g jeweils lag. Das Hochenergiemahlen erfolgt vorzugsweise in Prallmühlen, Vibrationskugelmühlen, Hammermühlen, Stiftmühlen oder Strahlmühlen.
Findet das Einbringen des Gases oder Gasgemisches in die Mischung unter Gasdruck statt, so kann das Einbringen von Gas ins Pulver beschleunigt werden.
Eine Steigerung des Gasgehaltes im Metallpulver wird erreicht, wenn das Einbringen des Gases unter Verwendung von Wasserstoffgas stattfindet. In der Hochenergiemühle wird beispielsweise hierfür ein Gasgemisch aus Edelgas und Wasserstoff bereitgestellt.
Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß die Mischung nach ihrer Herstellung, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, entgast wird. Dies kann durch Anlegen eines Vakuums erfolgen.
Wenn bevorzugterweise das Verdichten der Mischung unter Druck durch heiß-isostatisches Pressen erfolgt, ergibt sich eine leichtere Handhabung der Mischung als Preßling. Für späteres freies Aufschäumen sollte dabei die Temperatur bevorzugt unterhalb der Aufschäumungstemperatur liegen. Ferner können die Sinterung der Mischungspartikel und die Aufschäumung in einem Arbeitsgang im zu füllenden Behältnis oder in einer entsprechenden Form erfolgen.
Bevorzugterweise wird als Metallpulver eine, insbesondere hochschmelzende, Legierung verwendet. Als hochschmelzende Legierungen sind bspw. Titan-Aluminide, Nickel-Aluminide oder Nickel-Basis-Superlegierungen sowie Molybdänglizide bekannt. Ferner können auch eisenhaltige Legierungen und insbesondere vorwiegend nicht korrodierende Eisenlegierungen verwendet werden.
Darüber hinaus erfolgt bevorzugterweise das Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Metallpulvers, insbesondere über 600°C, vorzugsweise über 1.000°C. Durch die Wärmebehandlung bei hinreichend hohen Temperaturen bilden sich Nanoporen. Mit steigender Temperatur übersteigt der Innendruck der Gasporen die Fließspannung des Materials und führt zu dessen Aufschäumung.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn Argon oder Krypton oder Helium als Gas verwendet wird. Diese Edelgase sind als Treibmittel besonders gut geeignet. In einer Alternative wird Stickstoff oder Sauerstoff oder Wasserstoff als Gas verwendet.
Insbesondere enthält das Gasgemisch Argon und/oder Krypton und/oder Helium.
Die Erfindung wird ferner gelöst durch einen Metallschaumkörper, der gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel in einem Metallpulver zur Herstellung eines Metallschaumkörpers, der vorzugsweise gemäß des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wird.
Durch die Erfindung können bspw. siliziumhaltige Titanaluminium-Legierungen durch Argon aufgeschäumt werden. Die erfindungsgemäßen Metallschaumkörper können als Leichtbauwerkstoffe z. B. in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Metallschaumkörpern anstelle von massiven Bauteilen läßt sich in erheblichem Maße Gewicht bei geeigneter Bauteilkonstruktion einsparen.
Beispielsweise können aus dem Metallschaumkörper Maschinenteile hergestellt werden, die hohen mechanischen Belastungen oder Temperaturen oder schnellen Rotationen ausgesetzt sind. Darüber hinaus lassen sich Maschinen- und Bauteile mit verminderter Wärmeleitfähigkeit anfertigen und ferner als termisches Isoliermaterial in Hochtemperaturbereich verwenden. Darüber können energieschluckende Trennwände und Sicherheitswände zur Absorption von kinetischer Energie hergestellt werden. Ferner lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Metallschaumkörper Verbundwerkstoffe und Prepregs auf der Basis von Kohlenstoff-, Glas-, Kevlarfasern oder anderer hochfester Fasern ausbilden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers aus einem Metallpulver mit den Schritten:

- Einbringen wenigstens eines Gases oder eines Gasgemisches in das Metallpulver und Herstellung einer Mischung

- Verdichten der Mischung

- Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches mittels. Hochenergiemahlen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches unter Gasdruck stattfindet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches unter Verwendung von Wasserstoffgas stattfindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung nach ihrer Herstellung entgast wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten der Mischung unter Druck durch heiß-isostatisches Pressen erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine, insbesondere hochschmelzende, Legierung verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Metallpulvers, insbesondere über 600°C, vorzugsweise über 1.000°C, erfolgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Argon oder Krypton oder Helium als Edelgas verwendet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff oder Sauerstoff oder Wasserstoff als Gas verwendet wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichet, daß das Gasgemisch Argon und/oder Krypton und/oder Helium enthält.

12. Metallschaumkörper erhältlich durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.

13. Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel in einem Metallpulver zur Herstellung eines Metallschaumkörpers, vorzugsweise gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.