DE3401700C1

DE3401700C1 - Verfahren zur Herstellung von Pulvern unter Weltraumbedingungen

Info

Publication number: DE3401700C1
Application number: DE3401700A
Authority: DE
Inventors: Axel 8047 Karlsfeld Rossmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1984-01-19
Publication date: 1985-08-14
Also published as: GB2185497A; GB2153856A; US4710346A; GB8631030D0; FR2558400A1; FR2558400B1; GB8501255D0; GB2185497B; GB2153856B

Description

Auf einer Vielzahl von Gebieten der Technik werden hochwertige metallische und nichtmetallische Bauteile (Formkörper) unter Verwendung von Pulvern hergestellt. Dabei werden pulverförmige Ausgangsmaterialien aus Metallen und/oder Metalloiden einer Behandlung wie Wärme und/oder Druck unterworfen, um aus ihnen Formkörper herzustellen, die der Endform oder nahezu der Endform der Bauteile entsprechen. Die Behandlungs- und/oder Formgebungsverfahren können ein oder mehrstufig ausgeführt werden. Die Eigenschaften von Formkörpern aus Pulvern hängen entscheidend von den Eigenschaften des Pulvers ab.

- Oberflächenbeläge auf den Pulverteilchen beeinflussen das Sinterverhalten und die von der Korngrenze beeinflußten Werkstoffeigenschaften.

- Seigerungen im Pulverteilchen beeinflussen die Festigkeiten bzw. Neigung zu Rißbildungen.
- Gaseinschlüsse im Pulverteilchen beeinflussen Gasgehalt und Porosität des Formkörpers.

Weitere Eigenschaften der Formkörper aus Pulvern, wie physikalische, elektrische, chemische, thermische, hängen ebenfalls von Pulvereigenschaften ab, beispielsweise seien hier genannt: Dichte, Härte, Duktilität, Wärmedehnung, Schweißbarkeit, Korossionsempfindlichkeit, Leitfähigkeit (elektr., magn.).

Auch die beim Herstellungsprozeß der Formkörper notwendigen Verfahrensschritte sind von Pulvereigenschaften abhängig; so weist z. B. ein Preßkörper aus kugeligem Pulver (vor einer Wärmebehandlung, wie Sintern) üblicherweise eine schlechte Formstabilität auf, so daß die Handhabung desselben erschwert ist. Ein »spratziges« oder verästeltes Pulver läßt eine deutlich bessere Festigkeit des Preßkörpers erwarten.

Zur Pulvergewinnung werden unterschiedliche Verfahren angewandt.

In erster Linie handelt es sich um Abschmelzen oder Zerstäuben metallischer Werkstoffe oberhalb des Schmelzpunktes derselben. Hierdurch entsteht kugeliges oder spratziges Pulver, je nach dem, ob die Metalltröpfchen vor oder nach dem Berühren fester Oberflächen entstanden.

Eine Pulverherstellung aus der Gasphase über CVD (chemische Dampfabscheidung) oder PVD (physikalische Dampfabscheidung) ist bekannt. Mit diesen Verfahren sind »nichtkugelige« Pulver erzeugbar. Die Pulvererzeugung im Schwebezustand ohne Aufwachsen an stationären Oberflächen ist unter Gravitation eingeschränkt, z. B. durch die für den Schwebezustand notwendige Gaszufuhr oder die räumliche Begrenzung der Reaktionsgefäße (Vakuumgefäße).

Ein bedeutendes Problem ist das Einbringen von Sinterhilfsmitteln in Pulver. Diese Hilfsmittel müssen so gleichmäßig wie möglich in geringsten Mengen verteilt werden. Anreicherungen von Sinterhilfsmittel bedeuten beim Fertigteil Dichteunterschiede, Verzug, örtlichen Festigkeits- und Zähigkeitsabfall usw.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung hochreiner Pulver mit gezielter, gleichmäßiger Geometrie, insbesondere verzweigten (schneeflockenartigen) Strukturen und gezielter Verteilung der Komponenten zu schaffen. Aus solchen Pulvern könnten Formkörper und Bauteile mit verbesserten Eigenschaften für viele Anwendungsgebiete der Technik unter Bedingungen hergestellt werden, wie sie bisher auf der Erde, insbesondere wegen ihres Schwerefeldes, nur mit äußerst hohem Aufwand realisierbar sind (Makrogravitation).

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensmaßnahmen gelöst.

Unter Weltraumbedingungen sind insbesondere die Mikrogravitation; aber auch Vakuum, tiefe Temperaturen und Strahlung zu verstehen.

Die Erfindung befaßt sich auch mit der Verwendung so hergestellter Pulver für hochbelastbare Bauteile. Unter Formkörpern im Sinne der Erfindung werden auch Vormaterialien, wie Rohlinge oder Halbzeug, verstanden.

Im Folgenden werden unter Bauteilen aus Pulver solche in Endform oder in Beinahe-Endform verstanden.

Desweiteren zeigt die Erfindung Lösungsmöglichkeiten für Vorrichtungen auf, mit denen unter Weltraumbedingungen Pulverteilchen verarbeitet werden können.

Vorteile der Erfindung

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind u. a. darin zu sehen, daß unter Weltraumbedingungen, insbesondere derjenigen der Schwerelosigkeit, sich die Kristallisationskeime in der Schwebe befinden, ohne daß hierzu eine gerichtete Gaszufuhr (z. B. von Argon) nötig wäre. Ein allseitiges Aufwachsen des Korns wird so leicht möglich. Durch relativ lange Schwebedauer und damit langen Abscheidungsdauer sind besondere Teilchen-Struktur, wie z. B. Kristallsäulen, möglich. Schichtwerkstoffe aus verschiedenen Komponenten können hergestellt werden, um bessere Eigenschaften zu erhalten.

Bei Verwendung geeigneter Kristallisationskeime (z. B. Keramikpartikel) können z. B. Pulver erzeugt werden, welche die Herstellung dispersionsgehärteter metallischer Werkstoffe ermöglichen. Bei Keramiken können z. B. pseudoduktile Eigenschaften (Mikrorißbildung) durch Verwendung gezielt unterschiedlicher Eigenschaften (Wärmedehnung, Elastizität, Festigkeit) zwischen Teilchenmantel und -kern erzeugt werden.

Durch die Abscheidung besonders gut sinterfähiger Werkstoffe auf dem Teilchenmantel kann u. a. die Sinterfähigkeit deutlich verbessert werden, z. B.:

- Bei Keramik

SiC-Kern; Mantel: Kohlenstoff+ Bor Si₃N₄-Kern; Mantel: Sinterhilfe (z. B. Yttriumoxid)

- Bei Metallen

Aufbringen von Bor zur Schmelzpunkterniedrigung der Pulveroberfläche und damit Möglichkeit des Sinterns mit flüssiger Phase ·

- Bei Glas (metallhaltig)

Durch Zusetzen von Metalloiden, wie Bor: Erhöhen der Kristallisations-Temperatur

Durch kurzfristiges Aufschmelzen der entstandenen Pulverteilchen am Ende des Herstellungsprozesses kann die Kernform nochmals gezielt beeinflußt werden. So kann z. B. im Extremfall aus einem schneeflockenartig geformten Teilchen ein kugelförmiges entstehen. Bei einer abschließenden Wärmebehandlung im Schwebezustand kann z. B. über Diffusion oder Verschmelzen der Ausgleich von Komponenten einzelner Werkstoffe erzeugt werden. Als Wärmequellen sind z. B. Lichtbogen, Laser, Elektronenstrahlen, fokussierte Lichtstrahlen möglich.

Durch die unter Weltraumbedingungen möglichen extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 K) können z. B. aufgeschmolzene oder erwärmte Teilchen schnell abgekühlt werden (z. B. durch Berührung kalter Oberflächen oder Abstrahlung von Wärme). Dadurch können besondere Gefüge (z. B. metallischer Gläser) und Oberflächenzustände erzeugt werden (z. B. hochenergetische Oberflächen) die besonders gute Reaktivität und auch Sinterfähigkeit aufweisen.

Gläser mit unter-eutektischem Gehalt an Metalloiden von hoher Spannungsfestigkeit (insbesondere Zugfestigkeit) können erzeugt werden. Dies wird insbesondere auf eine günstigere MikroStruktur zurückzuführen sein. Außer den mechanischen Eigenschaften können auch die chemischen Eigenschaften, wie Korrossionsbeständigkeit und Biokompatibilität, verbessert werden. Gewünschte magnetische und elektrische Eigenschaften können erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Herstellung von Werkstoffen eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten.

Die für die Herstellung der Pulver erforderlichen Vorrichtungen sind infolge der Weltraumbedingungen sehr einfach und unterliegen keiner räumlichen Begrenzung der Reaktionsgefäße, wie sie z. B. Vakuumgefäße auf der Erde unterworfen sind. Besondere Kühlvorrichtungen sind nicht erforderlich; dies gilt auch für die Verfestigung der Pulver. Ein Ausgasen ist nicht erforderlich. Unerwünschte Seigerungen oder Oberflächennhäute auf den Pulverteilchen entstehen nicht.

Das bei der Vorrichtung verwendete Reaktionsgefäß kann sehr leicht sein, z. B. von zeltartigen Wänden (Faltenbalg) gebildet. In Verbindung mit dieser Reaktionskammer stehen an sich bekannte Schmelz- und/oder Vergasungs- bzw. Verdampfungsvorrichtungen. Ebenso steht ein Pulversammeigefäß mit der Reaktionskammer in Verbindung. Falls eine Nachbehandlung des gewonnenen Pulvers notwendig ist, insbesondere beim Abziehen aus der Reaktionskammer, können neben mechanischen Förderern, wie Schwinger, Kolben oder Schnecken, auch elektrische, akustische und magnetische Felder angewandt werden; auch können Formkörper bzw. Bauteile mit Vorteil Verfahrens- und vorrichtungsmäßig unmittelbar anschließend hergestellt werden.

Einige Lösungen der Erfindung sind anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wie sie in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellt sind.

Es zeigt

F i g. 1 ein Schema des Verfahrensablaufs, wobei einzelne Verfahrensschritte alternativ durchführbar sind, weggelassen oder ergänzt oder zusammengefaßt werden können, je nach dem gewünschten Pulver und Herstellverfahren.

F i g. 2a) eine Nachbehandlungsstation für das gewonnene Pulver Fig. 2b) eine Station für das Vorformen oder Umhüllen der Pulverteilchen

Fig. 2c) eine Station zur Formgebung eines Bauteils

Fig. 3a) ein spratziges Teilchen, dessen Kern ummantelt ist

Fig. 3b) ein Vorpreßkörper
Fig. 3c) ein Bauteil

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Pulvergewinnung mit physikalischer Dampferzeugung, faltbarer Reaktionskammer und Sammelgefäß

F i g. 5 eine Vorrichtung mit an die Schmelzkammer anschließendem Zerstäuben feinster Schmelzetröpfchen in die faltbare Reaktionskammer mit Sammelgefäß.

Fig. 6 eine Vorrichtung für die chemische Abscheidung aus der Gasphase von zwei oder mehreren Reaktionspartnern und Einbringung in die faltbare Reaktionskammer mit anschließendem Sammelgefäß.
Wie Fig. 1 zeigt, läuft das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Pulvern aus metallischen und/ oder nichtmetallischen Werkstoffen als Ausgangsmaterial in einer Folge von Verfahrensschritten von links nach rechts in der Zeichnung ab. Die Ausgangsmaterialien liegen meist in fester Form vor und könnten sein: Metalle, Metallegierungen, Verbindungen, Kombinationen: Metall-Keramik, glasartige Metalle. Ferner Keramik-Metall (Cermets), Keramik-Glas (Glaskeramik). Das Ausgangsmaterial wird in der Kammer M mittels einer äußeren Wärmequelle, wie z. B. Elektronenstrahl, Plasma, Laserstrahl, im Lichtbogen, mittels elektromagnetischer WeI-len o. ä. (siehe auch F i g. 4) oder in einem Induktionsofen (siehe F i g. 5) zunächst geschmolzen. Die Schmelze wird dabei in einem Tiegel oder bevorzugt tiegellos erzeugt, wobei verschiedene an sich bekannte Verfahren in Tabelle I aufgeführt - anwendbar sind, die unter dem Sammelbegriff physikalische Dampfabscheidung (PVD) üblicherweise zusammengefaßt werden. Anstelle der physikalischen Dampfabscheidung kann auch die chemische Dampfabscheidung = Abscheidung aus der Gasphase (CVD) angewandt werden, insbesondere mit Vorteil beim Zusammenführen von zwei oder mehr Komponenten. Insbesondere bei diesem Verfahren kann das Ausgangsmaterial ein Gasgemisch sein, so daß der Verfahrensschritt Schmelzen nicht vorgeschaltet werden muß. Beim Schmelzen werden feinste Tröpfchen entweder nach dem Prinzip der Rotationszerteilung oder z. B. nach dem Springstrahlverfahren (DE-OS 25 28 999) oder ähnlichem erzeugt und in die Reaktionskammer verteilt, zusammen mit Keimbildnern aus artgleichen oder artfremden Material. Da dieser Raum unter Weltraumbedingungen steht, ergeben sich die bereits eingangs erwähnten Vorteile der Pulverisierung im Schwebezustand, z. B. durch Zerstäuben von Ausgangsmaterial zu Pulver im Verteiler A gemäß Fig. 1. Der Reaktor ist gekühlt; er kann wenigstens teilweise dem Weltraum ausgesetzt sein, was eine Kühlmöglichkeit nahe dem absoluten Nullpunkt bedeutet. Eine gute Kühlung ist besonders wirkungsvoll im unteren Bereich des Reaktors, der in den Pulversammler C mündet. So läßt sich eine günstige schnelle Abkühlung ohne eigenen apparativen Aufwand bewerkstelligen. Zusätzlich kann der Faltenbalg, der als Wand der Reaktionskammer dient, noch mit einem äußere Strahlen reflektierenden Belag wenigstens an Teilen seiner Oberfläche versehen sein. Gewünschtenfalls können jedoch auch Teile des Faltenbelags strahlendurchlässig sein, insbesondere für die Sonneneinstrahlung und/oder elektromagnetische Wellen aus dem All. Gegebenenfalls können solcher Art durchlässige Teile des Faltenbalgs auch zwischen strahlenundurchlässige Bereiche eingeschoben werden.

Tabelle 1

Schmelzverfahren:

Elektronenstrahlschmelzen (EB)

Elektronenstrahlschmelzen in rotierender Scheibe (PSV)

Plasma:

Plasmaschmelzen mit rotierender Elektrode (PREP)

Lichtbogen:

und rotierender Elektrode (REP)

Elektrode Tropfen-Abschmelzen (DEP)

rotierende Scheibe und Elektr. Längs-Vorschub (CLET)

rotierende Scheibe (CSC)

m. elektromagn. Wellen (EMW)

m. elektromagn. rotierender Scheibe (EMRD)

Zerteilungsverfahren:

m. Rotation

einstufig: Tropfen-Abschmelzen

zweistufig: Tropfen und Überlauf
(am Scheibenrand)

Vertikal:

m. Ultraschall (US)

Elektromagnetisch (EM)

Wie Fig. 2 zeigt, wird das in einem von Reaktor abnehmbaren Gefäß C gesammelte Pulver in Fig. 2a nochmais nachbehandelt, z. B. wärmebehandelt.

In Fig. 2b ist ein Vorverdichten des Pulvers dargestellt, das gegebenenfalls auch von einer Schicht umhüllt sein kann. Diese Hüllschicht braucht jedoch nicht wie bei den bisher üblichen Verfahren gasdicht zu sein, ebenso entfällt beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Zwischenglühen.

In F i g. 2c ist der Verfahrensschritt der Formgebung entweder zum Rohling (F i g. 3b) oder zum fertigen Bauteil (F ig. 3c), bevorzugt mittels des heißisostatischen Pressens HIP dargestellt. Dieses Verfahren ist für die meisten Pulver zur Verarbeitung bestens geeignet sowohl mit Hülle oder Behälter als auch ohne. Häufig angewandt ist die Kombination Sintern und HIP.

Fig 4 zeigt eine Vorrichtung mit Schmelzkammer M, Reaktor R und Pulversammler C, wobei die Verteilung der Schmelze nach Verdampfung in PVD-Verfahren mittels einer geeigneten Kanone erfolgt. Statt einer Elektronenstrahl-, Plasma- oder Laser-Kanone können jedoch auch ein Lichtbogen, elektromagnetische Wellen oder ein stark fokussiertes Lichtstrahlenbündel aus dem Weltraum dienen. Der falt- und ausfahrbare Reaktor mit seinen zeltartigen Wänden ist mit der Schmelzkammer ebenso wie mit dem Pulversammler mechanisch leicht kuppelbar und entkuppelbar. Die Schmelzkammer nach Fig. 4 arbeitet mit rotierender Elektrode und Tiegel, während die Schmelzkammer nach F i g. 5 mit z. B. nach oben abnehmbarem Deckel einen evakuierbaren Induktions-Ofen, insbesondere Mehrzonenofen, besitzt.

Die Schmelze wird dann elektr., mech., hydr., pneum. einem Düsenkörper zur mehr oder weniger mechanischen Verteilung (Zerstäuben) feinster Schmelzetröpfchen oder anderer Materialteilchen zugeführt.

In F i g. 6 ist dargestellt eine Pulverherstellung nach dem CVD-Verfahren aus zwei oder mehreren Komponenten (z. B. A und B), die zu einem Strahl zusammengeführt werden, der einem akustischen Feld zwischen vertikalen Ultraschallresonatorplatten ausgesetzt wird, ohne daß die Teilchen die Platten berühren. Der Ultraschall wird von zwei Piezoschwingern rechts und links der Resonatorplatten mit Stufentransformator erzeugt. Anstelle des Ultraschallfeldes kann auch eine elektromagnetisches Feld erzeugt werden.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind vielfältig, einige typische Beispiele sind in Tabelle II nachfolgend aufgeführt.

Zum Beispiel im Maschinenbau, in der Fahrzeug-, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik, in der Wehrtechnik und im Schiffsbau, in der Medizintechnik und Elektrotechnik, in der chemischen Technik, Reaktortechnik und Hochtemperaturtechnik.

Tabelle II

Pulver

Teile-Anwendung

Metalle:

(+Legierungen) Keramik

Glas

Al, Ti, Cu, Cr, Fe, Co, Ni,	Halbleiter	Laminate
Mo, W, Re, Bi
Ta, Nb, V, Pb, Sn, Ge, Th,	Elektroden	_
Hf, Be, Zr, Si	Targets	Erosions-
U, Metalle der Pt-Gruppe,	Turbinenteile	Hitze-
Seltene Erdmetalle		Korrosions-
Superleg., Ni-Basis-Leg.,	Verdichter	Verschleiß- .
Stahl-Leg., Ti-Basis-Leg.
Ferrite, HSS, Stellite	Pumpen
Al₂O₃-TiC, Cr-Al₂O₃,	Träger
Mo-Cr-SiC, Mo-Cr-Al₂O₃,
Al₂TiO₅
Oxide, wie Al₂O₃, ZrO₂,	Rohre, Behälter u. a.
BeO, ThO₂, SiO₂, UO₂	ehem. u. Kem-Reaktor-
	teile Werkzeuge .

Karbide, wie TiC, SiC, B₄C,	Raketenteile u. a.
WC, TaC, ZrC, VC,
MoC, NbC, CrC	Lagerteile
Nitride, wie Si₃N₄, TiN, ZrN,	Lot- und Schweißhilfen
BN, TaN, VN, AlN,
Boride, wie TiB₂, ZrB₂, TaB₂,	Piezoelemente
Mo₂B₅, W₂B₅,
FeB, NiB	Implantate
Suizide TiSi₂, ZrSi₂, TaSi₂,	Akust. u. Röhrenteile
MoSi₂, WSi₂,
MgO, SiO, SiO₂
auf Fe, Ni, Co, Cr, Mo,	Lampenteile
W-Basis	MagneteJFenster
mit B, P, C, Si	Spiegel



	}
	\ Schutz-
	I schichten
	)

30

35 40 45

55 60 65

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Pulvern aus metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoffen, dadurchgekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial von der festen in die Gas- bzw. Dampfform überführt und mit Keimbildnern aus artgleichem oder artfremdem Material in einen abschließbaren, unter einer oder mehreren Weltraumbedingungen stehenden Raum eingebracht und dort pulverisiert wird.

2. Verwendung der nach Anspruch 1 hergestellten Pulver aus mindestens einer, bevorzugt aus mehreren Komponenten aus der Gruppe Metall, Keramik oder Glas für hochbelastbare Bauteile im Maschinenbau, in der Fahrzeug-, Luftfahrt- und Raumfahrttechnik, in der Wehrtechnik und im Schiffsbau, in der Medizintechnik und Elektrotechnik, in der chemischen Technik, Reaktortechnik und Hochtemperaturtechnik.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Schmelz- und/oder Verdampfungs- bzw. Vergasungskammer, aus einer Pulverisierungskammer mit faltenbalgartigen Wänden, die auf ihrer außen gelegenen Oberfläche wenigstens teilweise einen Strahlung reflektierenden Belag aufweisen und im auseinandergefalteten Zustand einen abschließbaren Raum umgrenzen, der einer oder mehreren Weltraumbedingungen ausgesetzt ist, und aus einem Sammelgefäß für das Pulver besteht, wobei letzteres zur Nachbehandlung des Pulvers gegebenenfalls unter Weltraumbedingungen setzbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Station zur wenigstens teilweisen Formgebung des so gewonnenen Pulvers, vorzugsweise ebenfalls unter Weltraumbedingungen stehend, angeschlossen ist.