DE3902032C2

DE3902032C2 -

Info

Publication number: DE3902032C2
Application number: DE3902032A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Smarsly; Wolfgang Track
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1990-10-31
Also published as: GB9001700D0; GB2229193B; FR2641995B1; FR2641995A1; DE3902032A1; GB2229193A; US5073459A

Description

Die Erfindung betrifft ein gesintertes metallisches Leichtbaumaterial und ein Verfahren zur Herstellung des Materials.

Ein derartiges Material und Verfahren ist aus der DE-32 10 770 C2 bekannt. Ein Nachteil des bekannten Materials ist die ungeordnete Verteilung der Hohlkugeln im Sinterkörper, die eine örtliche Agglomeration von Sintermaterial einerseits und Hohlkugeln andererseits nicht ausschließen und somit zu unterschiedlichen, ört lich begrenzten Festigkeitswerten führt. Außerdem wird gemäß der oben angegebenen Druckschriften artverwandtes Material, das zur Mischkristallbildung neigt, zum Auf füllen der Hohlräume zwischen den Metallkugeln eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Material zu schaffen, das im wesentlichen höhere gewichtsspezifische Festigkeitswerte als herkömmliches Material besitzt und über dem gesamten Materialaufbau gleichmäßige Festigkeitseigen schaften aufweist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Gelöst wird diese Aufgabe in bezug auf das Material da durch, daß es im wesentlichen aus einer gitterförmigen Struktur von Stegen aus intermetallischen Verbindungen besteht, die gleichmäßig verteilte kugelförmige Hohlräume ausbilden, welche ihrerseits wie eine dichteste Kugel packung angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Leichtbaumaterial weist vorteilhaft keine örtlich begrenzten unterschiedlichen Festigkeits werte oder Schwachstellen auf, sondern zeichnet sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit der Festigkeitseigenschaften aus. Darüber hinaus besitzt es die hohen Festigkeitswerte von intermetallischen Verbindungen und ein äußerst geringes Bauteilgewicht, so daß vorteilhaft eine höhere gewichts spezifische Festigkeit als mit herkömmlichen Superlegierungen auf Nickel- oder Kobalt-Basis erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist der hohe Widerstand dieses gesinterten Leicht baumaterials gegenüber Kriechverformungen. Schließlich weist das gesinterte Leichtbaumaterial aus im wesentlichen intermetallischen Verbindungen vorteilhaft eine hohe Gefüge stabilität bei hohen Temperaturen auf, die zum Teil bis zum Schmelzpunkt reichen.

Ein bevorzugter Bereich für den Durchmesser der Hohl räume liegt zwischen 0,4 und 5 mm. Mit derartigen sym metrisch angeordneten Hohlräumen läßt sich vorteilhaft das spezifische Gewicht vermindern, so daß sich die gewichtsspezifische Festigkeit vergrößert, zumal die Stege aus intermetallischen Verbindungen so angeordnet werden können, daß Richtungen mit hoher mechanischer Belastung verstärkt sind.

Durch den Sintervorgang erreichen die Stege in einer bevor zugten Ausbildung der Erfindung mindestens 95% der theoretischen Dichte der intermetallischen Phase. Das hat den Vorteil, daß das Leichtbaumaterial annähernd gleiche Festigkeitswerte wie ein Massivbauteil aus herkömm lichen Superlegierungen aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, weiterhin ein Verfahren anzugeben, mit dem das gesinterte Leichtbaumaterial auf einfache und billige Weise herstellbar ist, sowie dessen bevorzugte Verwendung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) Stapelung der metallischen Hohlkugeln zu einer dichtesten Kugelpackung,
b) Vorsintern der Metallkugeln zu einem vorgesinterten Material,
c) Auffüllen der Hohlräume im vorgesinterten Material mit pulverförmigen Metallen, Metall-Legierungen oder inter metallischen Verbindungen, die nach Art und Menge so auf das Material der metallischen Hohlkugeln abgestimmt sind, daß beim nachfolgenden Sintern intermetallische Verbindungen als Stege zwischen kugelförmigen Hohlräumen entstehen,
d) Sintern des vorgesinterten Materials und des aufgefüllten Pulvers bei der Bildungstemperatur von intermetallischen Verbindungen zu einem gesinterten metallischen Leicht baumaterial.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Stapelung der metallischen Hohlkugeln zu einer dichtesten Kugel packung eine vollständig gleichmäßige Verteilung der kugeligen Hohlräume über dem Querschnitt des gesinterten Leichtbaumaterials erreicht wird und Agglomerate von kugelförmigen Hohlräumen vermieden werden.

Die Stapelung in einer Sinterform wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß die Sinterform präzise perforierte Innen wände mit regelmäßigen Vertiefungen aufweist, die die Kugelposition in den äußeren Lagen des Sinterkörpers in Abhängigkeit vom Außenradius der Hohlkugeln und der Stapel folge ABA oder ABC festlegen. Mit einem Ultraschallgerät wird die befüllte Sinterform gerüttelt, so daß sich die Kugeln von außen nach innen in dichtester Kugelpackung ordnen mit dem Vorteil, daß sich durchgehende Stege aus Sintermaterial bilden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Stapelung Nickel- oder Kobalthohl kugeln mit annähernd gleichem Außenradius in einer Toleranz breite von ±10% eingesetzt und durch das Vorsintern bei 800°C bis 1300°C zueinander fixiert, so daß vorteilhaft die regelmäßige Stapelung der metallischen Hohlkugeln bei den nachfolgenden Verfahrensschritten erhalten bleibt. Beim Vor sintern der metallischen Hohlkugeln entsteht vorteilhaft ein freitragendes, poröses und stabiles Halbzeug, das auch als Füllmasse für kühlgasdurchströmte Bauteile wie Turbinen schaufeln oder als Filtermasse geeignet ist. Den Anwendungen angepaßt werden vorzugsweise Hohlkugeln mit einem Außendurch messer von 0,40 bis 5,3 mm und einer Wandstärke von 10 µm bis 300 µm eingesetzt. Diese Größen haben den Vorteil, daß sich die Hohlkugeln einfach und billig zu einer dichtesten Kugelpackung verarbeiten lassen.

Das Auffüllen der Hohlräume zwischen den Hohlkugeln des vorgesinterten Materials mit pulverförmiger Metall-Legierung wird vorteilhaft in einem Ultraschallgerät durchgeführt, da in derartigen Geräten eine hohe Packungsdichte mit minimalem Aufwand und geringen Stapelfehlern erreicht wird.

Bevorzugte Materialien für das metallische Pulver sind eines oder mehrere oder Legierungen oder intermetallische Verbindungen von folgenden Elementen: Titan, Niob, Vanadium, Molybdän, Kobalt, Chrom, Nickel, Aluminium oder Silizium. Bei diesen Pulvermaterialien handelt es sich mit Ausnahme des Aluminiums und Siliziums um hochschmelzende Übergangsmetalle, die vorteilhaft mehrere hochwarmfeste Leichtbaumaterialien aus inter metallischen Verbindungen ermöglichen, so daß ein breiter Bereich an mechanischen Anforderungen durch die neuen Werkstoffe abgedeckt werden kann.

Aus der Reihe der pulverförmigen Metall-Legierungen hat sich in Verbindung mit Nickel als Hohlkugelwerkstoff das Alu minium bewährt, das mit Nickel die intermetallischen Ver bindungen NiAl und NiAl₃ bildet und gegenüber Nickel basislegierungen den Vorteil höherer mechanischer Festigkeit besitzt, so daß der Leichtbaukörper trotz seiner inter metallischen Stege von mindestens 95% der theoretischen Dichte und der kugelförmigen Hohlräume die gleichen Festigkeitswerte wie eine Superlegierung auf Nickelbasis aufweist.

In einem bevorzugten Verfahrensablauf wird nach dem Vor sintern der metallischen Hohlkugeln ein Aluminiumlegierungs pulver oder ein Pulver aus einem Aluminium-Nickelgemisch zum Auffüllen der Hohlkugeln zwischen die Nickelkugeln gerüttelt. Dabei ist die Zusammensetzung zwischen Nickel und Aluminium so bemessen, daß ein stöchiometrisches Mengen verhältnis zwischen Nickel und Aluminium bezogen auf das Gesamtgewicht eingehalten wird. Beim Sintern bei 1600°C entsteht dann die hochwarmfeste intermetallische Verbindung Nickel-Aluminit. Dieses gesinterte Leichtbaumaterial besitzt vorteilhaft eine höhere Warmfestigkeit bei hohen Betriebstemperaturen wie sie in einer Gasturbine auftreten als eine Nickelbasislegierung.

Durch die gleichmäßig verteilten kugeligen Hohlräume entsteht ein vorteilhaftes gitterartiges Leichtbau material aus tragenden gesinterten hochwarmfesten und quer verbundenen Stegen, das besonders im Flugzeug- und Turbinenbau neue konstruktive Lösungen ermöglicht, für die es bisher keine geeigneten Werkstoffe gibt, zumal dieser neue Werkstoff vorteilhaft eine hohe Warm festigkeit mit niedrigem spezifischem Gewicht verbindet und aufgrund seiner gleichzeitigen hohen Zähigkeit den keramischen Werkstoffen überlegen ist.

Mit den folgenden Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine hexagonal dichteste Kugelpackung von metallischen Hohlkugeln,

Fig. 2 eine kubisch-flächenzentrierte dichteste Kugelpackung von metallischen Hohlkugeln,

Fig. 3 ein Halbzeug aus vorgesinterten Nickelkugeln,

Fig. 4 eine vorgesinterte Struktur mit Auffüllung der Hohlräume zwischen den Hohlkugeln,

Fig. 5 ein gesintertes Leichtbaumaterial.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Leichtbaumaterials.

Fig. 1 zeigt eine hexagonal dichteste Kugelpackung von metallischen Hohlkugeln 1 mit der Stapelfolge ABA wobei die oberste Lage 2 aus einer zentralen Hohlkugel 3 besteht, die von sechs gleichgroßen Hohlkugeln 4 umringt wird. Die darunter befindliche mittlere Lage 5 sitzt mit ihren Hohl kugeln 6 in den Vertiefungen 7 der obersten Lage 2, wobei jedoch aus Platzgründen nur jede zweite Vertiefung 7 der obersten Lage 2 besetzt ist.

Die unterste Lage 8 nimmt wieder die gleichen Vertiefungs positionen 9 wie die oberste Lage 2 ein. Mit dieser Stapelfolge der Hohlkugeln 1 können durchgehende verti kale mechanisch hoch belastbare Stegbereiche 10 durch Sintern von Metallpulver in den Hohlräumen zwischen den metallischen Kugeln 1 zu einer intermetallischen Verbindung geschaffen werden. Damit wird gleichzeitig eine vorteil hafte Anisotropie der Festigkeitseigenschaften des gesinterten Leichtbaumaterials erreicht, die sich vorteilhaft für die verschiedensten Anwendungen nützen läßt.

Fig. 2 zeigt eine kubisch-flächenzentrierte dichteste Kugelpackung von metallischen Hohlkugeln 1 mit der Stapel folge A, B, C wobei die oberste Lage 2 und die mittlere Lage 5 wie bei Fig. 1 angeordnet sind. Die untere Lage 8 nimmt nicht die gleichen Vertiefungspositionen wie die oberste Lage 2 ein, sondern sitzt in den zweiten, von der mittleren Lage 5 nicht besetzten Vertiefung der obersten Lage 2, so daß ein gesintertes Leichtbaumaterial mit gitterförmigen Stegen 11 entsteht, das in den Raumdiagonalen eine erhöhte mechanische Festigkeit besitzt.

Fig. 3 zeigt ein Halbzeug mit vorgesinterten metallischen Hohlkugeln 1 aus einer Nickel-Basislegierung. Diese Nickel kugeln bilden eine hexagonal dichteste Kugelpackung und sind durch einen Sintervorgang bei Temperaturen zwischen 800 und 1300°C miteinander verbunden, so daß ein poröses, freitragendes stabiles Halbzeug 12 entsteht, das als Filter element oder Füllmatrix für kühlgasdurchströmte Bauteile wie Turbinenschaufeln geeignet ist.

Fig. 4 zeigt eine vorgesinterte Struktur 13 mit Auf füllung 14 der Hohlräume zwischen den Hohlkugeln 1, das aus Nickelhohlkugeln 22 von 5 mm Durchmesser mit einer Wand stärke von 100 µm besteht, die von Aluminium-Nickel- Legierungspulver 15 vollständig umhüllt werden.

Fig. 5 zeigt ein gesintertes Leichtbaumaterial mit hexa gonal gestapelten kugeligen Hohlräumen 16, die von einer Nickel-Aluminiummatrix 17 umgeben werden, die als inter metallische Verbindung aus 68,5 Gew.% Nickel und 31,5 Gew.% Aluminium besteht.

Ein Verfahrensbeispiel wird mit den Fig. 6 bis 9 dar gestellt, wobei diese Figuren einen Ausschnitt aus einem Quader von 100×50×150 mm Kantenlänge aufweisen. Die metal lischen Hohlkugeln 1 haben einen Durchmesser von 5 mm + 10% und eine Wandstärke von 100 µm + 10%.

Fig. 6 zeigt drei metallische Hohlkugeln 1 aus Nickel als Aus schnitt eines Quaders aus 973 Hohlkugeln, die in einer Sinter form mit definiert präparierten, perforierten Innenflächen zu einer dichtesten Kugelpackung mit hexagonaler ABA-Stapel folge gerüttelt wurden. Nach der Stapelung wurde die Sinter form bei 1050°C vorgesintert, so daß erste Sinterbrücken 18 die metallischen Hohlkugeln 1 zu einem stabilen, freitragen den Halbzeug verbinden.

Fig. 7 zeigt drei metallische Hohlkugeln 1 aus Nickel des freitragenden Halbzeugs, das aus der Sinterform entnommen wurde und in eine weitere Sinterform mit glatten Innenflächen eingesetzt wurde. In dieser Sinterform werden die Hohlräume zwischen den Nickelhohlkugeln mit elementarem Nickel und Aluminium aufgefüllt, wobei das Aluminium-Nickel-Verhältnis so eingestellt wird, daß sich zusammen mit dem Material der Hohlkugeln die intermetallische Verbindung NiAl₃ beim nachfolgenden Sintern bildet.

Fig. 8 zeigt drei metallische Halbkugeln 1 als Ausschnitt eines Quaders nachdem sie bei 650°C für eine Stunde im Hochvakuum einem Reaktionssintern zur Bildung der inter metallischen Phase 21 NiAl₃ ausgesetzt wurden. Dieser Reaktionssinterschritt wird bei der Zugabe von elementarem Nickel und Aluminium erforderlich und entfällt, wenn die intermetallische Verbindung NiAl₃ in Pulverform zugesetzt wird.

Fig. 9 zeigt drei kugelige Hohlräume 16 als Ausschnitt eines Quaders aus gesintertem Leichtbaumaterial 20. Dieses gesinterte Leichtbaumaterial besteht im wesentlichen aus der intermetallischen Phase NiAl , die sich durch Sintern bei 1600°C für eine Stunde im Hochvakuum gebildet hat. Das gesinterte Leichtbaumaterial erreicht aufgrund der kugeligen Hohlräume eine spezifische Dichte von 2,43 g/cm³, während die intermetallische Verbindung NiAl eine Dichte von 5,85 g/cm³ aufweist.

Claims

1. Gesintertes metallisches Leichtbaumaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer gitter förmigen Struktur von Stegen aus intermetallischen Ver bindungen besteht, die gleichmäßig verteilte kugel förmige Hohlräume ausbilden, welche ihrerseits wie eine dichteste Kugelpackung angeordnet sind.

2. Gesintertes metallisches Leichtbaumaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kugel förmigen Hohlräume einen Durchmesser von 0,4 bis 5 mm aufweisen.

3. Gesintertes metallisches Leichtbaumaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege aus Sintermaterial mit mindestens 95% seiner theoretischen Dichte bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten metallischen Leichtbaumaterials nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Stapelung von metallischen Hohlkugeln zu einer dichtesten Kugelpackung,
b) Vorsintern der Metallkugeln zu einem vorgesinterten Material,
c) Auffüllen der Hohlräume im vorgesinterten Material mit pulverförmigen Metallen, Metall-Legierungen oder intermetallischen Verbindungen, die nach Art und Menge so auf das Material der metallischen Hohlkugeln abgestimmt sind, daß beim nachfolgenden Sintern intermetallische Verbindungen als Stege zwischen kugelförmigen Hohlräumen entstehen,
d) Sintern des vorgesinterten Materials und des aufge füllten Pulvers bei der Bildungstemperatur von intermetallischen Verbindungen zu einem gesinterten metallischen Leichtbaumaterial.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlkugeln mit annähernd gleichem Kugelradius, die in ABA- oder ABC-Stapelfolge zu einer dichtesten Kugel packung geordnet werden, verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Hohlkugeln aus einem Nickel- oder Kobalt-Basismetall mit einem Radius toleranzbereich von ±10% verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Vorsintern der Metallkugeln unter Vakuum bei Temperaturen zwischen 800°C und 1300°C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß als pulverförmige Metall-Legierung ein Pulver aus einem oder mehreren Legierungen oder inter metallischen Verbindungen der Elemente Titan, Niob, Vanadium, Molybdän, Kobalt, Chrom, Nickel, Aluminium oder Silizium verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als pulverförmige Metall-Legierung ein Pulver aus den Elementen oder einer intermetallischen Ver bindung der Elemente Nickel und Aluminium verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als pulverförmige Metall-Legierung ein Pulver aus einer Aluminium-Nickellegierung einer solchen Zusammen setzung verwendet wird, daß ein stöchiometrisches Mengenverhältnis zwischen Nickel und Aluminium bezogen auf das Gesamt material eingehalten wird.

11. Verwendung der nach einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10 hergestellten Materialien als Werkstoff zur Herstellung von Bauteilen mit niedrigem spezifischem Gewicht und hoher Zähigkeit im Flugzeug- und Turbinenbau.