DE19631584C2 - Verfahren zur Herstellung von Legierungspulvern und daraus hergestelltes Erzeugnis - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Legierungspulvern und daraus hergestelltes ErzeugnisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Legierungspulvern, bei dem zunächst aus den eine Legie
rung bildenden Legierungskomponenten eine Elektrode
hergestellt wird, die nachfolgend zum Erhalt des Legie
rungspulvers zerstäubt wird, und ein daraus herge
stelltes Erzeugnis.
Bei der bisherigen Herstellung von Legierungspulvern
werden zunächst die die späteren Legierungspulver bil
denden Legierungsbestandteile zusammen aufgeschmolzen,
wobei nachfolgend die Legierung durch mehrfaches Um
schmelzen homogenisiert wird. Das Erschmelzen der
Legierung erfolgt beispielsweise in eine Vakuumlicht
bogenofen, einem Kaltwandinduktionsofen oder einem
Plasmaschmelzofen. Die sich daran anschließende
eigentliche Herstellung des Legierungspulvers kann dann
auf unterschiedliche Weise erfolgen. So sind im Stand
der Technik beispielsweise eine Gaszerstäubung eines
Schmelzestrahls, oder die Zerstäubung einer Schmelze
dadurch, daß der Schmelzestrahl auf eine schnell rotie
rende Scheibe fällt, bekannt, wobei die Schmelze von der
Scheibe abgeschleudert wird, wodurch die Schmelze in
feine Tropfen aufgebrochen wird, die dann aufgefangen
werden, bewirkt, oder es wird eine Elektrode, die aus
den gewünschten Legierungsbestandteilen besteht, in
schnelle Rotation versetzt und an einem Ende aufge
schmolzen, so daß feine Schmelztröpfchen abgeschleudert
und aufgefangen werden, die das Legierungspulver bilden.
Schließlich ist eine Legierungspulverherstellung durch
mechanisches Legieren möglich.
Eine Ausführungsform der zuerst genannten Art der
Pulverherstellung, nämlich die Gaszerstäubung eines
Schmelzstrahls, wird als sogenannte EIGA-Technik
(Electrode-Induction-Melting-Gas-atomisation) bezeich
net. Bei dieser Technik taucht das untere Ende einer
hängenden Legierungselektrode in eine Induktionsspule
ein, wobei im Leistungsbetrieb der Spule das untere Ende
der Elektrode aufgeschmolzen wird, so daß einzelne
Tropfen abfallen, die dann durch eine Zerstäubungsein
richtung geleitet werden und dort in feine Tröpfchen
zerteilt werden. Diese sogenannte EIGA-Technik wird in
der DE-OS 41 02 101 beschrieben.
Für die voraufgeführten bekannten Verfahren ist für die
Legierungspulverherstellung als Ausgangswerkstoff eine
Legierung entweder als Legierungsschmelze oder als
Legierungselektrode erforderlich. Die Herstellung einer
Legierungsschmelze oder einer Legierungselektrode
erfordert hohen technischen Aufwand, beispielsweise
entsprechende Öfen, Kokillen und dergleichen, sowie
einen hohen Aufwand an Energie und einen hohen Zeitauf
wand. Beim vorangehend ebenfalls angesprochenen mecha
nischen Legieren verursacht das Vorhandensein von
Verunreinigungen Probleme, beispielsweise in Form einer
Aufnahme von Sauerstoff durch sogenannte Mahlhilfen, in
Form organischer Flüssigkeiten oder die Aufnahme bei
spielsweise von Eisen durch Abrieb von Mahlkugeln oder
Mahlbechern.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Legie
rungspulver auf einfache Weise herstellen zu können,
d. h. ohne großen apparativen, energiebedarfsmäßigen und
zeitlichen Aufwand, wobei das mittels des Verfahrens
hergestellte Erzeugnis schnell und kostengünstig her
stellbar sein soll und einen von Verunreinigung freien
hohen Reinheitsgrad aufweisen soll.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren dadurch, daß die Ausbildung der Legierungs
elektrode durch Pressung und/oder Sintern der
pulverförmigen Legierungskomponenten zu einer Elektrode
erfolgt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung bezüglich des
Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß eine Legie
rungselektrode verwendet wird, die weder gegossen noch
mechanisch legiert ist, wobei beim Aufschmelzen der
Legierungselektrode durch die Induktionsspule durch
Reaktion der pulverförmigen Komponenten untereinander
die Vermischung der Legierungsbestandteile stattfindet,
und wobei die dann abfallenden Schmelztröpfchen bereits
die endgültige Legierungszusammensetzung haben und bei
dem anschließenden Zerstäuben das eigentlich Legie
rungspulver entsteht.
Ein weiterer Vorteil ist, daß für die Elektrodenher
stellung keine Öfen bzw. Abgießkokillen nötig sind und,
wie angestrebt, auf ggf. schon im Handel erhältliche
Pulver, die die einzelnen Legierungskomponenten bilden,
auf kostengünstige Weise zurückgegriffen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
können die pulverförmigen Legierungskomponenten in Form
elementaren Pulvers oder auch bei einer anderen vor
teilhaften Ausführungsform in Form von Legierungspulver
vorliegen, wobei sowohl bei der einen Ausgestaltung als
auch bei der anderen Ausgestaltung jeweils auf ggf.
schon im Handel erhältliche Produkte zurückgegriffen
werden kann.
Für bestimmte Anwendungsfälle hat es sich als vorteil
haft herausgestellt, bei bestimmten Erzeugnissen, die
mittels der erfindungsgemäß herstellbaren Legierungs
pulvern realisiert werden sollen, Verstärkungswerkstoffe
mit in das Erzeugnis einzubauen, was bisher bei der
sogenannten bekannten Sprühformtechnik dadurch bewirkt
wurde, daß in die Flugbahn der zerstäubten Legierungs
tröpfchen eine Auffangeinrichtung (collector) gebracht
wurde, wobei auf dieser Auffangeinrichtung dann ein
Substrat aufwächst. Zur Herstellung von faserverstärkten
Erzeugnissen oder auch nur faserverstärkten Werkstoffen
aus dem Legierungspulver wurden dann zusätzlich unter
halb der Zerstäubungseinrichtung Fasern eingeblasen, die
sich zusammen mit den Legierungströpfchen auf dem
Substrat niederlassen.
Bei dem herkömmlichen Verfahren wurden dafür neben den
mittels im Stand der Technik bekannter obiger Verfahren
hergestellten Legierungselektroden oder der oben er
wähnten Legierungsschmelze für den Zusatz an
Faserverstärkungsmitteln eine zusätzliche Einrichtung
für das Einblasen der Fasern benötigt, was ebenfalls
einen zusätzlichen apparativen Aufwand, einen hohen
Energieaufwand und einen zusätzlichen zeitlichen Aufwand
bedeutet.
Um auch das erfindungsgemäße Verfahren für derartige
Zwecke auszubilden, ist es vorteilhaft, vor dem Pressen
und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die pulverförmi
gen Legierungskomponenten einzubringen, was beispiels
weise durch das Zu- oder Einmischen von Fasern zu den
Pulvern vor dem Pressen erfolgen kann. Auf vorangehend
beschriebene Weise kann dann auch eine kompakte, faser
verstärkte Legierung aus den Legierungspulvern in Form
eines geformten Substrats oder eines entsprechenden
Werkstoffs schlechthin geschaffen werden. Auf eine
zusätzliche Einsprühvorrichtung wie im Falle der im
Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Faser
verstärkung kann verzichtet werden.
Vielfach ist es sinnvoll, die jeweiligen Legierungskom
ponenten bei dem Aufbau eines Werkstoffs aus dem er
findungsgemäßen Legierungspulver zu variieren, d. h.
beispielsweise im Dickenverlauf eines Werkstoffs oder
eines formgebildeten Substrats mit unterschiedlichen
Anteilen auszubilden. Man spricht in diesem Zusammenhang
von sogenannten Gradientenwerkstoffen. Solche Werkstoffe
wurden bisher dadurch hergestellt, daß man das Le
gierungspulver bzw. die Legierungspulvermischungen in
einen Behälter füllt. Um zu einem gradierten Aufbau zu
gelangen, wurde dabei die Zusammensetzung der Legie
rungspulvermischung entlang des Füllweges des Behälters
verändert. Um zu einem kompakten gradierten Werkstoff zu
gelangen, wurde die gradierte Legierungspulvermischung
verdichtet, was beispielsweise durch Sintern oder
heiß-isostatisches Pressen geschehen konnte. D.h. mit
anderen Worten, daß bisher zunächst Legierungspulver
hergestellt werden mußte, wobei anschließend das Pulver
geeignet gemischt, geschichtet und schließlich verdich
tet werden mußte. Diese bisherige Vorgehensweise ist
verhältnismäßig aufwendig und nur mit verhältnismäßig
hohem apparativen Aufwand durchführbar.
Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, das
Verfahren vorteilhafterweise derart auszugestalten, daß
die Legierungselektrode längs ihrer Länge eine unter
schiedliche Verteilung von Legierungskomponenten auf
weist, was den Vorteil hat, daß, anders als bei der
vorgenannten herkömmlichen Technik, die Ungenauigkeiten,
die beispielweise bei der Befüllung im Zusammenhang mit
dem Füllweg des Behälters auftreten, vermieden werden,
und im Vergleich zur herkömmlichen Technik das Kompak
tieren des Pulvers zur Herstellung des Werkstoffes bzw.
des geformten Substrats vermieden wird.
Erfindungsgemäß kann deshalb vorteilhafterweise auch die
Mischung der die Längskomponenten bildenden Elementar
pulver eine längs der Länge der Legierungselektrode
unterschiedliche Verteilung von Legierungskomponenten
aufweisen oder die Mischung der die Legierungskompo
nenten bildenden Legierungspulver kann vorteilhafter
weise eine längs der Länge der Legierungselektroden
ebenfalls unterschiedliche Verteilung von Legierungs
komponenten aufweisen. Durch die entsprechende Variation
kann beispielsweise ein Werkstoff in bezug auf seine
Zusammensetzung im Querschnitt gezielt aufgebaut werden,
was gleichermaßen für ein entsprechendes Substrat bzw.
Produkt gilt.
Um einen derartigen gezielten Aufbau ggf. noch gezielter
vornehmen zu können, ist es vorteilhafterweise möglich,
die jeweiligen Legierungskomponenten in jeweiligen
kompakten Bereichen in der Legierungselektrode anzuord
nen.
Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Legierungselek
trode aus einer Mehrzahl von drahtförmigen Legierungs
elektrodenelementen gebildet wird, wobei die Elemente
durch jeweils unterschiedliche Legierungen gebildet sein
kann.
Ein Erzeugnis, das nach dem voraufgeführten Verfahren
hergestellt ist, ist vorteilhafterweise dadurch gekenn
zeichnet, daß der zerstäubbare Werkstoff der Legie
rungselektrode nach dem Austritt aus der Zerstäubungs
einrichtung und dem Auffangen entsprechend der Längs
verteilung der Legierungskomponenten der Legierungs
elektrode im wesentlichen entsprechend in seinem Längs
querschnitt ausgebildet ist.
Das Erzeugnis wird vorzugsweise so hergestellt, daß der
Druck beim Zerstäubervorgang, bei dem die Zerstäubungs
einrichtung betrieben wird, zu Null geht, so daß quasi
ein abgegossenes Erzeugnis entsteht.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach
folgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier
Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Darin
zeigen:
Fig. 1 im Schnitt eine Anordnung zur Ausführung des
Verfahrens in ihrer grundsätzlichen Ausgestal
tung,
Fig. 2 eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens
gemäß Fig. 1, bei der jedoch anders als in der
Anordnung von Fig. 1 die Legierungselektrode
aus kompakten Bereichen unterschiedlicher
Legierungskomponenten gebildet wird (jeweils
schräg gestrichelte Legierungskomponenten),
Fig. 3 eine Röntgenbeugungsaufnahme von TiAl Legie
rungspulver, das mit der sogenannten EIGA-
Technik unter Verwendung einer aus dem Elemen
tarpulvern Titan und Aluminium gepreßten
Elektrode hergestellt worden ist, und
Fig. 4 eine Schliffbildaufnahme eines Legierungspul
verteilchens der Größenfraktion 125 bis 180 µm.
In Fig. 1 ist eine typische Anordnung zur Ausführung des
Verfahrens schematisch dargestellt. Diese Anordnung wird
verwendet, um die gemäß der Erfindung hergestellten
Legierungselektroden 10 für das erfindungsgemäß herzu
stellende Legierungspulver 16 herzustellen, das bei
spielsweise für ein Erzeugnis in Form eines Werkstoffs
bzw. eines Substrats 17, das ggf. in Form eines Form
teils ausgebildet sein kann, verwendet wird.
Der Kern der Anordnung ist die gemäß dem erfindungsge
mäße Verfahren hergestellte Legierungselektrode 10.
Zur Herstellung der Legierungselektrode 10 werden
pulverförmige Legierungskomponenten entsprechend der
gewünschten Legierung und entsprechend den gewünschten
Legierungsanteilen der Legierungskomponenten verwendet,
wobei die pulverförmigen Legierungskomponenten in Form
elementaren Pulvers und/oder in Form von
Legierungspulver vorliegen können. Diese Ausgangskompo
nenten können ggf. schon im Handel bezogen werden, d. h.
sind hier nicht Gegenstand der Erfindung. Nach vorbe
stimmter Mischung der einzelnen Legierungskomponenten
erfolgt eine Pressung und/oder ein Sintern der Legie
rungskomponenten zu der fertigen Legierungselektrode 10.
Anders als die bisherigen Verfahren zur Herstellung von
Legierungselektroden, die im wesentlichen auf aufwendige
Apparaturen wie z. B. Öfen und Kokillen zurückgreifen
müssen, die also über den Weg der Legierungsschmelze
gehen müssen, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Legierungselektrode lediglich durch Pressen und/oder
Sintern hergestellt.
Nachdem die Legierungselektrode 10 erfindungsgemäß
hergestellt worden ist, wird sie, vgl. die Fig. 1 und
2, um ihre Achse in Rotation versetzt und in ihrem
Bereich, in dem eine Abschmelze erfolgen soll, einer
Induktionsspule 11 ausgesetzt, wo dann durch Reaktion
der elementaren Pulverkomponenten und/oder der Legie
rungspulverkomponenten untereinander die Vermischung der
Elemente stattfindet. Die abfallenden Schmelztröpfchen
12 haben dann bereits die gewünschte Legierungszusam
mensetzung gemäß dem vorbestimmten Mischungsverhältnis
bei der Herstellung der Legierungselektrode 10. Die
Schmelztröpfchen 12 durchlaufen dann nachfolgend einen
Bereich einer Zerstäubungseinrichtung 13, die geeignet
ausgebildete Gaszerstäubungsdüsen 14 aufweisen. Die
durch die Zerstäubungseinrichtung 13 unter Einfluß der
Gaszerstäubungsdüsen 14 verdüsten Schmelztröpfchen 13
treten aus der Anordnung in Form des gewünschten Legie
rungspulvers 16 aus und können dann einer gewünschten
Weiterverwendung zugeführt werden.
In Fig. 2 wird mittels der Anordnung zur Ausführung des
Verfahrens ein Substrat 17, das auch zunächst lediglich
ein Werkstoff oder ein Zwischenprodukt (Halbzeug) sein
kann, hergestellt. Im Unterschied zu der Anordnung zu
Fig. 1 ist die Anordnung gemäß Fig. 2 um eine Auffang
einrichtung bzw. einen Kollektor 15 ergänzt, der unter
halb des aus der Anordnung austretenden Legierungspul
vers 16 angeordnet ist. Die Legierungselektrode 10 gemäß
Fig. 2 weist zudem noch das Charakteristikum auf, das
diese bestimmte Bereiche aufweist (in Fig. 2 zur ent
sprechenden Darstellung der unterschiedlichen Bereiche
in unterschiedlicher Weise schraffiert), die beispiels
weise aus verschiedenen elementaren und/oder Legie
rungskomponenten zusammengesetzt werden können. Diese
Anordnung von Fig. 2 wird, wie erwähnt, genauso be
trieben wie die Anordnung von Fig. 1. Das hat zur Folge,
daß das auf dem Kollektor sich sammelnde Substrat 17
einen im vertikalen Schnitt entsprechenden Aufbau
entsprechend dem Aufbau gemäß dem vertikalen Schnitt der
Legierungselektrode 10 aufweist. Entsprechend dem Aufbau
der Legierungselektrode 10 ist somit das Substrat 17
gezielt aufbaubar, wobei man in diesem Zusammenhang von
der Herstellung eines Gradientenwerkstoffs bzw. eines
Gradientensubstrats spricht.
Der beschriebene Aufbau kompakter Legierungsbereiche in
der Legierungselektrode 10 gemäß Fig. 2 ist hier nur
beispielhaft anzusehen. Es ist natürlich auch möglich,
durch entsprechende Übergangslose Schichtung bzw.
Mischung der einzelnen elementaren bzw. Legierungskom
ponenten, die die Legierungselektrode 10 bilden, einen
stetigen Verlauf bzw. Übergang der die Legierung bil
denden pulverförmigen Komponenten in Längsrichtung der
Legierungselektrode 10 vorzusehen. Dementsprechend wird
sich im vertikalen Schnitt auch das Substrat 17 stetig
in seiner Zusammensetzung verändern, d. h. keine Schich
tungsgrenzflächen, anders als in der Darstellung von
Fig. 2, ausbilden.
Hier nicht gesondert dargestellt, aber in den Legie
rungselektroden 10 ausbildbar, können vor dem Pressen
und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die Legierungs
komponenten eingebracht werden, so daß Legierungspulver
16 mit Verstärkungselementen als Bestandteil erzeugbar
sind bzw. Substrate 17 erzeugt werden können, die ent
sprechend Verstärkungsfasern enthalten.
Die in Fig. 3 dargestellte Röntgenbeugungsaufnahme von
mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
TiAl Legierungspulver unter Verwendung einer aus den
Elementarpulvern Titan und Aluminium gepreßten Le
gierungselektrode zeigt nur Reflexe der γ-TiAl und der
α2-Ti3 Al Phase, womit nachgewiesen ist daß tat
sächlich eine vollständige Legierungsbildung stattge
funden hat.
Die Abbildung gemäß Fig. 4 zeigt eine Schliffbildauf
nahme eines Legierungspulverteilchens der Größenfraktion
125-180 µm. Die Präsenz der α2-Ti3 Al Phase (dunkle
Bereiche) und der γ-TiAl Phase (helle Bereiche) zeigen,
daß tatsächlich eine Legierungsbildung stattgefunden
hat.
Es werden die elementaren Pulver 50% Titanpulver und 50
% Aluminiumpulver gemischt und zu einer Elektrode
gepreßt. Mit der EIGA-Technik wird Legierungspulver
hergestellt.
Nachfolgende röntgenographische Untersuchungen bestäti
gen die Legierungsbildung zu TiAl (Fig. 3). Metallogra
phische Untersuchungen an einzelnen Pulverteilchen
bestätigen ebenfalls, daß eine Legierungsbildung statt
gefunden hat (Fig. 4).
Es werden die elementaren Pulver 70% Zirkonpulver und
30% Nickelpulver gemischt und anschließend gepreßt. Mit
der EIGA-Technik wird Legierungspulver hergestellt.
Es werden das elementare Pulver 48% Titanpulver und das
Legierungspulver 52% AlCRNb gemischt und gepreßt. Mit
der EIGA-Technik wird das Legierungspulver hergestellt.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung von Legierungspulvern, bei
dem zunächst aus den eine Legierung bildenden Legie
rungskomponenten eine Legierungselektrode hergestellt
wird, die nachfolgend zum Erhalt des Legierungspulvers
zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbil
dung der Legierungselektrode durch Pressung und/oder
Sintern pulverförmiger Legierungskomponenten zu einer
Elektrode erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die pulverförmigen Legierungskomponenten Elementar
pulver sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die pulverförmigen Legierungskomponenten Legie
rungspulver sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Pressen
und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die Legierungs
komponenten eingebracht werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselek
trode längs ihrer Länge eine unterschiedliche Verteilung
von Legierungskomponenten aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung der die Legierungskomponenten bildenden
Elementarpulver eine der längs der Länge der Legie
rungselektrode unterschiedliche Verteilung von Legie
rungskomponenten aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung der die Legierungskomponenten bildenden
Legierungspulver eine längs der Länge der Legierungse
lektrode unterschiedliche Verteilung von Legierungs
komponenten aufweist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen
Legierungskomponenten in jeweiligen kompakten Bereichen
in der Legierungselektrode angeordnet sind.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselek
trode aus einer Mehrzahl von drahtförmigen Legierungs
elektrodenelementen gebildet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Zer
stäubung, bei dem die Zerstäubereinrichtung betrieben
wird, zu Null geht.
11. Erzeugnis, hergestellt nach dem Verfahren gemäß
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der zerstäubbare Werkstoff der
Legierungselektrode nach dem Austritt aus einer Zerstäu
bungseinrichtung und dem Auffangen entsprechend der
Längsverteilung der Legierungskomponenten in der Legie
rungselektrode im wesentlichen entsprechend in seinem
Längsquerschnitt ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19631584A DE19631584C2 (de) | 1996-08-05 | 1996-08-05 | Verfahren zur Herstellung von Legierungspulvern und daraus hergestelltes Erzeugnis |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19631584A1 DE19631584A1 (de) | 1998-02-12 |
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DE (1) | DE19631584C2 (de) |
Families Citing this family (1)
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DE102012206125A1 (de) * | 2012-04-13 | 2013-10-17 | MTU Aero Engines AG | Verfahren zur Herstellung von Niederdruckturbinenschaufeln aus TiAl |
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DE1175060B (de) * | 1954-02-24 | 1964-07-30 | Boehler & Co Ag Geb | Verfahren zur Herstellung gesinterter Schweisselektroden fuer verschleissfeste Auftragsschweissungen |
DE8803305U1 (de) * | 1987-09-12 | 1988-08-11 | Spraytec - Gesellschaft Fuer Oberflaechentechnik Mbh, 5900 Siegen, De | |
DE4102101A1 (de) * | 1991-01-25 | 1992-07-30 | Leybold Ag | Einrichtung zum herstellen von pulvern aus metallen |
-
1996
- 1996-08-05 DE DE19631584A patent/DE19631584C2/de not_active Expired - Fee Related
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