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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Bauteils durch Verdichtung eines Metallpulvers.
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Herkömmliche
Legierungen wurden bezüglich
ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften durch Modifizierung
der Mikrostruktur der Legierungen verbessert, indem eine Verarbeitung und
Wärmebehandlung
des ursprünglichen
Barrenmaterials erfolgte, das normalerweise gegossen wurde, wobei
jedoch auch Pulverblöcke
benutzt werden können.
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Bauteile,
die fast ihre fertige Form aufweisen, werden durch Verdichtung von
Metallpulver, beispielsweise durch, isostatisches Heißpressen,
hergestellt. Bei dem heißen,
isostatischen Heißpressverfahren
wird ein Vakuum-Reinigungssystem benutzt, um die Zusammensetzung
des Metallpulvers während
des Verdichtungsverfahrens konstant zu halten. Der fertige Bauteil
hat eine homogene Zusammensetzung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zu
schaffen, um einen Bauteil durch Verdichtung eines Metallpulvers
herzustellen, wobei die Mikrostruktur des Metalls des Bauteils modifiziert
wird und der Bauteil verbesserte physikalische und mechanische Eigenschaften
erhält.
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Demgemäß umfasst
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch
Verdichtung eines Metallpulvers mit den folgenden Schritten:
- (a) es wird ein Metallpulver vorbereitet, und
das Metallpulver weist metallische Partikel auf;
- (b) es wird ein Überzug,
der wenigstens ein Element enthält,
auf den Oberflächen
der metallischen Partikel des Metallpulvers abgelagert;
- (c) es werden Hitze und Druck ausgeübt, um die metallischen Partikel
derart zu verdichten, dass das wenigstens eine Element des Überzugs
auf den Oberflächen
der metallischen Partikel teilweise in die metallischen Partikel
hinein diffundiert und die überzogenen
metallischen Partikel durch Diffusionsverschweißung miteinander verbunden werden,
um eine zellulare Struktur zu erzeugen, wobei die zellulare Struktur
einen Rahmen aus höher
legiertem Material aufweist, der auf den Grenzflächen der durch Diffusion verbundenen metallischen
Partikel angeordnet ist, wobei die Mittelabschnitte der verdichteten
metallischen Partikel ihre ursprüngliche
Zusammensetzung aufrecht erhalten.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (b) eine Oxidation der Oberflächen der
metallischen Partikel.
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Stattdessen
kann der Schritt (b) eine Nitrierung der Oberflächen der metallischen Partikel
umfassen.
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Stattdessen
kann der Schritt (b) eine Dampfablagerung eines Verstärkungselementes
einer festen Lösung
auf den Oberflächen
der metallischen Partikel umfassen.
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Stattdessen
kann der Schritt (b) das Überziehen
der Oberflächen
der metallischen Partikel mit einem zweiten Metall umfassen, das
einen niedrigeren Schmelzpunkt als die metallischen Partikel aufweist.
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Stattdessen
kann der Schritt (b) das Überziehen
der Oberflächen
der metallischen Partikel mit Partikeln eines zweiten Metallpulvers
umfassen, das eine niedrigere Fließfestigkeit als die metallischen Partikel
besitzt.
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Vorzugsweise
haben die metallischen Partikel eine durchschnittliche Größe von 100
Mikrometer. Vorzugsweise haben die metallischen Partikel eine maximale
Größe von 250
Mikrometer.
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Stattdessen
kann die Größe der metallischen
Partikel verändert
werden, um die Eigenschaften des Bauteils zu verändern.
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Die
metallischen Partikel können
Legierungspartikel sein.
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Das
zweite Metall kann eine Legierung sein.
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Die
zweiten metallischen Partikel können
Legierungspartikel sein.
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Vorzugsweise
sind die metallischen Partikel Titan-Legierungspartikel. Noch zweckmäßiger ist
es, dass die Titan-Legierungspartikel 6 Gewichtsprozent Aluminium,
4 Gewichtsprozent Vanadium und im übrigen Titan und geringe Zusätze und
zufällige
Verunreinigungen aufweisen.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (a) die Zuführung
der Titan-Legierungspartikel in einen Behälter, und der Schritt (b) umfasst
eine Oxidation der Titan-Legierungspartikel,
und im Schritt (c) wird der Behälter
abgedichtet und es wird Hitze und Druck ausgeübt.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (b) eine Erhitzung auf eine Temperatur von 450°C, und es
wird diese Temperatur von 450°C
acht Stunden lang unter einem Partialdruck von 10–1 Torr
gehalten, um die Titan-Legierungspartikel zu oxidieren, und der
Schritt (c) umfasst ein, isostatisches Heißpressen des Behälters bei
einer Temperatur von 925°C
während zwei
Stunden unter einem Druck von 150 MPa.
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Vorzugsweise
wird der Behälter
durch spanabhebende Bearbeitung oder Lösen in einer geeigneten Säure entfernt.
Vorzugsweise besteht der Behälter
aus unlegiertem Stahl.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch einen Bauteil, der aus verdichtetem
Metallpulver besteht, wobei das Metallpulver metallische Partikel aufweist,
die durch Diffusion miteinander verschweißt sind, wobei die Oberflächen der
metallischen Partikel einen Überzug
aufweisen, der wenigstens ein Element hat, das teilweise in die
metallischen Partikel hinein diffundiert ist, um eine zellulare
Struktur zu bilden, wobei die zellulare Struktur einen Rahmen aus höher legiertem
Material umfasst, der an den Grenzflächen der durch Diffusion verschweißten metallischen
Partikel angeordnet ist und die Mittelabschnitte der verdichteten
metallischen Partikel ihre ursprüngliche
Zusammensetzung aufrecht erhalten.
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Vorzugsweise
besteht der Überzug
aus einem Oxid oder einem Nitrid, und das wenigstens eine Element
ist Sauerstoff bzw. Stickstoff.
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Stattdessen
kann der Überzug
ein Verstärkungselement
einer festen Lösung
auf den Oberflächen
der metallischen Partikel aufweisen.
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Stattdessen
kann der Überzug
ein zweites Metall mit einem Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger
ist als der Schmelzpunkt der metallischen Partikel.
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Stattdessen
kann der Überzug
aus einem zweiten Metallpulver bestehen, das eine niedrigere Fließfestigkeit
hat als die metallischen Partikel.
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Vorzugsweise
sind die metallischen Partikel Titan-Legierungspartikel. Noch zweckmäßiger ist
es, wenn die Titan-Legierungspartikel 6 Gewichtsprozent Aluminium,
4 Gewichtsprozent Vanadium und im übrigen Titan, geringe Zusätze und
zufällige
Verunreinigungen aufweisen.
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Vorzugsweise
ist der Bauteil ein Bauteil eines Gasturbinentriebwerks.
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Vorzugsweise
ist der Bauteil eine Fan-Laufschaufel, ein Teil einer Fan-Laufschaufel,
eine Kompressor-Laufschaufel oder ein Gehäuse.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt
einen Bauteil, der durch Verdichtung eines Metallpulvers gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde;
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2 zeigt
einen weiteren Bauteil, der durch Verdichtung eines Metallpulvers
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde;
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3 zeigt
in größerem Maßstab eine Schnittansicht
durch einen Teil eines Metallpulvers vor Beginn des Herstellungsverfahrens
gemäß der Erfindung;
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4 zeigt
in größerem Maßstab eine
Ansicht eines Teils des Metallpulvers in einer ersten Stufe des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
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5 zeigt
in größerem Maßstab eine Schnittansicht
eines Teils des Metallpulvers am Ende des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In 1 ist
ein Bauteil 10 dargestellt, der in diesem Fall als Gehäuse ausgebildet
ist, und einen weiteren Bauteil 20, der bei diesem Beispiel
eine Fan-Laufschaufel ist, zeigt die 2. Die Bauteile sind
durch Verdichtung eines Metallpulvers gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verdichtungsverfahren eines Metallpulvers benutzt, um eine
zellulare Struktur eines Bauteils 10 oder 20 zu
erzeugen, bei dem die normale Legierungszusammensetzung innerhalb
eines Rahmens einer interstitiellen Legierung oder einer verstärkten Festlösungslegierung
gehalten wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 10 oder 20 durch
Verdichtung eines Metallpulvers umfasst die Vorbereitung eines Metallpulvers,
wobei das Metallpulver aus metallischen Partikeln 30 besteht.
Die metallischen Partikel sollten im Idealfall eine eng begrenzte
Partikelgröße, einen
begrenzten Durchmesser und einen engen Bereich aufweisen, obgleich
dies nicht wesentlich ist. Beispielsweise haben die metallischen
Partikel 30 eine durchschnittliche Größe von 100 Mikrometer, und
die metallischen Partikel 30 besitzen eine maximale Größe von 250 Mikrometer.
Ein Überzug 32,
der wenigstens ein Element enthält,
ist auf den Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 des Metallpulvers abgelagert. Dann
werden Hitze und Druck angewandt, um die metallischen Partikel 30 derart
zu verdichten, dass das wenigstens eine Element auf den Überzug 32 auf den
Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 teilweise in die metallischen
Partikel 30 hinein diffundiert und die überzogenen metallischen Partikel 30 durch Diffusion
miteinander verschweißt
werden, um eine zellulare Struktur 36 zu schaffen. Während der
Verdichtung der metallischen Partikel 30 werden die etwa
kugelförmigen
metallischen Partikel 30 zu einer vielflächigen Gestalt
deformiert. Dies führt
zu einem Rahmen 38 aus einem hochlegierten Material, der
an den Grenzflächen
der durch Diffusion verschweißten metallischen
Partikel 30 oder benachbart zu den ursprünglichen
Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 angeordnet ist. Da nur eine begrenzte
Diffusion des wenigstens einen Elementes vom Überzug 32 in die metallischen
Partikel 30 stattfindet, halten die Mittelabschnitte 40 der
verdichteten metallischen Partikel 30 ihre ursprüngliche
Zusammensetzung aufrecht, und so wird eine zellulare Struktur 36 erzeugt.
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Die
Eigenschaften der zellularen Struktur 36 sind abhängig von
Größe und Durchmesser
der metallischen Partikel 30 des Metallpulvers, d.h. sie
sind abhängig
von den Dimensionen der sich ergebenden Mittelabschnitte 40 und
von dem wenigstens einen Element in dem Überzug 32. So kann
Größe und Durchmesser der
metallischen Partikel 30 geändert werden, um die Eigenschaften
der zellularen Struktur 36 zu verändern und um demgemäß die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften der Bauteile 10 oder 20 zu ändern. Der Überzug 32 für die metallischen
Partikel 30 kann verändert
werden, um die Eigenschaften der zellularen Struktur 36 und
demgemäß die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften der Bauteile 10 oder 20 zu
verändern.
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Der Überzug 32 kann
aus einem Oxid bestehen, das durch Oxidation der Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 in Sauerstoff oder Luft erzeugt wird.
Stattdessen kann der Überzug 32 aus
einem Nitrid bestehen, das durch Nitrierung der Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 hergestellt wird. Stattdessen
kann der Überzug 32 ein
Verstärkungselement
in fester Lösung
aufweisen, das durch Dampfablagerung auf den Oberflächen 34 der
metallischen Partikel 30 erzeugt wird. Stattdessen kann
der Überzug 32 aus
einem zweiten Metall bestehen, das einen niedrigeren Schmelzpunkt
hat als die metallischen Partikel 30. Stattdessen kann
der Überzug 32 aus
einem zweiten Metallpulver bestehen, das eine niedrigere Fließfestigkeit
besitzt als die metallischen Partikel 30. Die metallischen
Partikel 30 können
Legierungspartikel sein. Das zweite Metall kann eine Legierung sein.
Die zweiten metallischen Partikel können Legierungspartikel sein.
Die metallischen Partikel können
Titan-Legierungspartikel sein. Noch zweckmäßiger ist es, wenn die Titan-Legierungspartikel
6 Gewichtsprozent Aluminium, 4 Gewichtsprozent Vanadium und im übrigen Titan,
geringe Zusätze und
zufällige
Verunreinigungen enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine Modifikation der Materialstruktur, um die physikalischen und
mechanischen Eigenschaften gemäß den Gesetzen
der zellularen Strukturen zu verbessern. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine zellulare Struktur innerhalb eines massiven metallischen Bauteils
erzeugt, und die zellulare Struktur verbessert die Aufschlagabsorptionseigenschaften,
die Formbarkeit und die Festigkeit einer herkömmlichen Legierung. Außerdem werden
physikalische Eigenschaften, wie z.B. Elastizitätsmodul, Poisson'sches Verhältnis sowie
Reibungs- und Dämpfungscharakteristiken
verbessert.
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Beispiel 1
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Es
wurden Titan-Legierungspartikel hergestellt, die 6 Gewichtsprozent
Aluminium, 4 Gewichtsprozent Vanadium und im übrigen Titan, geringe Zusätze und
zufällige
Verunreinigungen enthielten. Die Titan-Legierungspartikel wurden
dann auf die erforderliche Titan-Legierungspartikelgröße von durchschnittlich
100 Mikrometer und 250 Mikrometer maximaler Größe ausgesiebt. Die Titan-Legierungspartikel
wurden über
ein Einlassrohr in einen Behälter
aus unlegiertem Stahl eingefüllt,
der die Gestalt des zu erzeugenden Bauteils definiert. Der Behälter wurde auf
eine Temperatur von 450°C
erhitzt und bei 450°C acht
Stunden lang unter einem partiellen Luftdruck von 10–1 Torr
gehalten, um die Titan-Legierungspartikel zu oxidieren. Dann wurde
der Behälter
durch Zuschweißen
eines Einlassrohres abgedichtet. Der Behälter wurde in ein HIP-Gefäß eingelegt
und isostatisch heiß bei
einer Temperatur von 925°C
zwei Stunden lang unter einem Druck von 150 MPa gepresst. Dann wurde
der Behälter
von dem verdichteten Metallpulverbauteil durch spanabhebende Bearbeitung oder
durch Lösen
in einer geeigneten Säure
entfernt.
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Die
Benutzung eines zweiten Metalls oder einer zweiten Legierung, die
einen niedrigeren Schmelzpunkt als die metallischen Partikel haben, führt zu einem
Schmelzen oder zu einer Verdampfung des zweiten Metalls, um einen Überzug auf
den metallischen Partikeln zu erzeugen. Die Benutzung eines zweiten
Metallpulvers mit einer niedrigeren Fließfestigkeit als die metallischen
Partikel haben, führt
bei der zweiten Metallpulverdeformation um die metallischen Partikel
während
der Verdichtung zur Erzeugung der zellularen Struktur.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch benutzt werden, um Metallpulverpartikel
in eine bestehende hohle Metallstruktur einzufüllen, beispielsweise in eine
hohle Fan-Laufschaufel
oder eine hohle Kompressor-Laufschaufel, um dann die zellulare Struktur innerhalb
der bestehenden hohlen Metallstruktur zu erzeugen. Stattdessen ist
es möglich,
Metallpulver zwischen wenigstens zwei metallische Werkstücke einzufüllen und
dann die zellulare Struktur zwischen wenigstens zwei metallischen
Werkstücken
zu erzeugen und eine Diffusionsverschweißung der zellularen Struktur
mit den wenigstens zwei Werkstücken
zu bewirken und um eine Diffusionsverschweißung der wenigstens zwei Werkstücke miteinander
durch Diffusion zu verschweißen,
beispielsweise bei einer Fan-Laufschaufel.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch benutzt werden, um eine hohle Fan-Laufschaufel oder
eine hohle Kompressor-Laufschaufel zu erzeugen. Der Behälter aus
unlegiertem Stahl wurde mit einem oder mehreren entfernbaren Kernen
im Behälter
aus unlegiertem Stahl versehen, um eine oder mehrere Kammern in
der hohlen Fan-Laufschaufel oder der hohlen Kompressor-Laufschaufel
zu erzeugen. Die Titan-Legierungspartikel wurden in den Behälter aus
unlegiertem Stahl eingefüllt,
um den Raum in dem Behälter
aus unlegiertem Stahl um einen oder mehrere entfernbare Kerne anzufüllen. Der
Behälter
wurde auf 450°C
erhitzt und acht Stunden lang unter einem partiellen Luftdruck von
10–1 Torr
bei 450°C
gehalten, um die Titan-Legierungspartikel zu oxidieren. Dann wurde
der Behälter
durch Zuschweißen
des Einlassrohres abgedichtet. Der Behälter wurde in einem HIP-Gefäß angeordnet
und isostatisch heiß bei
einer Temperatur von 925°C
zwei Stunden lang bei einem Druck von 150 MPa gepresst. Dann wurde
der Behälter
von der hohlen Fan-Laufschaufel oder der hohlen Kompressor-Laufschaufel
von dem verdichteten Metallpulver durch spanabhebende Bearbeitung
oder Lösen
in einer geeigneten Säure
entfernt. Dann wurden die entfernbaren Kerne entfernt. Die entfernbaren
Kerne können
aus einem inerten Material, beispielsweise Blei oder einem anderen
Metall mit großen
Atomen, bestehen, die zu groß sind,
um in die Titanpartikel hinein zu diffundieren und die einen niedrigeren
Schmelzpunkt haben als die Titan-Legierungspartikel, so dass die
hohle Fan-Laufschaufel oder die hohle Kompressor-Laufschaufel auf
eine Temperatur erhitzt werden kann, bei der das inerte Material
schmilzt und aus der hohlen Fan-Laufschaufel oder der hohlen Kompressor-Laufschaufel
ausfließt.
Metallreste können
aus der hohlen Fan- Laufschaufel
oder der hohlen Kompressor-Laufschaufel unter Benutzung eines geeigneten
Lösungsmittels oder
einer geeigneten Säure
entfernt werden. Die entfernbaren Kerne können aus unlegiertem Stahl bestehen,
der mit einer geeigneten Säure
entfernt werden kann.
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Stattdessen
kann die hohle Fan-Laufschaufel oder die hohle Kompressor-Laufschaufel dadurch erzeugt
werden, indem gewährleistet
wird, dass der Behälter
eine oder mehrere Kammern in der hohlen Fan-Laufschaufel oder der
hohlen Kompressor-Laufschaufel definiert. Die Kammern werden derart
angeordnet, dass sie während
des, isostatischen Heißpressverfahrens
unter Druck gesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch eine spanabhebende Bearbeitung einer
massiven Fan-Laufschaufel oder massiven Kompressor-Laufschaufel
aus verdichtetem Metallpulver auf die endgültige Gestalt bedingen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch auf Titan-Legierungspartikel anwendbar,
die 6 Gewichtsprozent Aluminium, 2 Gewichtsprozent Zinn, 4 Gewichtsprozent
Zirkonium, 2 Gewichtsprozent Molybden und im übrigen Titan, geringe Zusätze und
zufällige
Verunreinigungen enthalten.
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Im
Falle einer Oxidierung und Nitrierung der metallischen Partikel
oder der Legierungspartikel diffundiert der Sauerstoff oder der
Stickstoff teilweise in die metallischen Partikel oder die Legierungspartikel, um
in dem Metall oder der Legierung Zwischengitterplätze zu schaffen
und die normale oder ursprüngliche
Legierungszusammensetzung an den Mittelabschnitten der verdichteten
metallischen Partikel oder der Legierungspartikel wird innerhalb
eines Rahmes von höher
legiertem interstitiellem Legierungsmaterial angeordnet, das an
den Grenzflächen
der durch Diffusion verschweißten
metallischen Partikel oder Legierungspartikel angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit Titanlegierungen beschrieben, aber
die Erfindung ist in gleicher Weise anwendbar für Aluminium-Legierungen, für Eisen-Legierungen,
für Nickel-Legierungen,
für Kobalt-Legierungen
und für
Intermetalle, z.B. Nickel-Aluminide und Titan-Aluminide.