DE69328344T2 - Verfahren zum Verdichten von körnigen Massen - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verarbeitung von Materialien bei hohem Druck. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kompaktieren und Verfestigen von diskreten Pulverteilchen unter Anwendung von hohem Druck gegebenenfalls in Kombination mit der Anwendung von hohen Temperaturen für kurze Zeiträume sowie außerdem damit hergestellte neue Werkstücke.
- Frühere Verfahren zur Schockbehandlung von Feststoffen einschließlich diskreter Pulverteilchen verwendeten hochexplosive Materialien in Kontakt mit dem Werkstück oder hochexplosive Materialien, um eine Platte zu beschleunigen, die auf das Werkstück trifft und so einen Druckstoß darauf ausübt. Diese Verfahren sind jedoch mühsam und nicht immer reproduzierbar.
- Die US-A-5 089 467 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines festen Körpers durch "Implosive Verfestigung" von losen Teilchen. Dieses Verfahren umfaßt eine Schockwellenbehandlung der losen Partikel. Außerdem ist es schwierig, nicht ebene Oberflächen und komplizierte Geometrien mit Schockwellen zu bearbeiten, die Verfahren sind schwer zu automatisieren und erfüllen einige industrielle Anforderungen nicht, besonders bei einem Verfahren, das als "Heißes Isostatisches Pressen" oder "HIP" bekannt ist, welches üblicherweise dazu angewandt wird, um Pulver zu einem hochdichten Feststoff oder Werkstück zu komprimieren.
- Herkömmliches HIP wird verbreitet als ein "Kriechverfahren" charakterisiert. Es wird Druck angewendet, um die zu verbindenden unterschiedlichen Oberflächen zu einer engen Einheit zu pressen. Durch Hitzeanwendung wird die Molekularbewegung der benachbarten Oberflächen gesteigert, was zur Diffusion der einen Oberfläche in die andere führt. Diese aus der molekularen Durchdringung von durch Druck zusammengehaltenen Oberflächen resultierende Massendiffusion führt zu völlig dichten, chemisch gebundenen Materialien, wie sie typisch für das HIP-Verfahren sind. Dieses konventionelle HIP-Verfahren erfordert jedoch Stunden bei erhöhter Temperatur und Druck, um eine ausreichende Massendiffusion und Verdichtung zu erreichen; d. h., daß die Oberflächen "zusammenkriechen" müssen.
- Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, in dem zum Verdichten von Pulver oder körnigem Material für die nachfolgende Verarbeitung z. B. in einem HIP-Verfahren gepulste Laser verwendet werden.
- Ein typisches erfindungsgemäßes Verfahren zur Verdichtung von diskreten Pulverteilchen umfaßt das Befestigen einer Schicht festen Belagmaterials an einer Oberfläche des Werkstücks und das Richten eines Strahlungsimpulses mit hoher Energiedichte auf die Schicht des Belagmaterials, wodurch vollständige Kompaktierung und Verdichtung der darunterliegenden Pulverpartikel bewirkt wird. Das so erhaltene verdichtete Werkstück kann dann zur Vervollständigung des Herstellungsprozesses mit einem Verfahren wie dem HIP-Verfahren weiterverarbeitet werden.
- Die grundlegende Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein Werkstück oder ein Bauteil mit Druck zu beaufschlagen, der von einem gepulsten Hochleistungslaser erzeugt wird, um lokal einen kurzen Druckpuls mit großer Amplitude und lokaler Erhitzung auf der Oberfläche des pulverigen oder körnigen Materials zu erzeugen und so ein "grünes" Bauteil zu definieren, das dann im festen Zustand gesintert und so in einen Fertigartikel überführt werden kann.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Material mit neuartigen Eigenschaften herzustellen. So stellt die vorliegende Erfindung ein wie im Anspruch 1 definiertes Verfahren bereit.
- Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform offenkundig.
- Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht.
- Fig. 1 zeigt schematisch die Vorrichtung 10, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks geeignet ist, in einem vorhergehenden Arbeitsschritt, in dem die Verdichtung von diskreten Pulverpartikeln mit einem durch Laser erzeugten Druckpuls hoher Energiedichte durchgeführt wird. Dieses Verfahren umfaßt (a) die Erzeugung eines Druckpulses hoher Energiedichte mit einem Laser 12, (b) die Herstellung von Hochdruckbedingungen an der Oberfläche eines in einem Behälter 16 befindlichen Pulvers, z. B. Metallpartikeln 14, wodurch eine Schockwelle mit großer Amplitude in und durch die Metallpartikel läuft, (c) Verdichten der Partikel durch die Wirkung der Schockwelle mit großer Amplitude, und (d) weiteres Erhitzen der Partikeloberfläche durch Lichtabsorption.
- In diesem Verfahren wird eine Schicht aus festem Belagmaterial 18 so positioniert, daß sich diese im ganzen zu bestrahlenden Bereich in innigem Oberflächenkontakt befindet und ein Strahlungsimpuls 20 mit hoher Energiedichte mit einem Laser auf das Material gerichtet. Die Verwendung einer Belagschicht ermöglicht es, Drücke im Gigapascal-(GPa-) Bereich (1 GPa = 145000 psi) mit einer Zeitdauer von einigen Nanosekunden zu erreichen. Unterschiedliche erfindungsgemäß zu verwendende Belagmaterialien schließen Glas, Quarz, Natriumsilikat, Siliciumdioxid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Polyethylen, einen Fluoroplasten, Nitrocellulose, oder deren Mischungen PETN (Pentaerythrittetranitrat); Wismut, Blei, Cadmium, Zinn oder Zink ein. Eine typische Belagschicht ist ungefähr 50 bis 20000 Mikrometer stark. Zusätzlich kann eine feste Unterlage oder Stützmaterial 15 verwendet werden, das ein geeignetes Dämpfungsmaterial für akustische oder Stoßwellen darstellt.
- Die Druckwelle bewirkt, daß die einzelnen Teilchen des Pulvers in engen Kontakt geraten, so daß eine plastische Verformung stattfindet und in den vom Laser bestrahlten Bereich ein teilweise verdichteter, "grüner" Kompaktierungszustand erzeugt wird. Um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten, kann es erforderlich sein, eine Serie von Laserpulsen mit ausgewählten Parametern zur Erzeugung einer besonderen Amplitude und Form des Druckpulses anzuwenden. Darüberhinaus kann je nach Bedarf der Laserstrahl so geformt oder ausgeblendet werden, daß er Verdichtung nur in definierten Bereichen erzeugt und so die Herstellung innerer Hohlräume oder anderer komplexer Merkmale ermöglicht. Falls erforderlich, kann das körnige Material oder Pulver auch als Bestandteil des Verfahrens vorgeheizt werden.
Claims (4)
1. Ein Verfahren zur Bildung eines gesinterten Werkstücks, welches
(a) das Anbringen einer Schicht festen Belagmaterials auf einer
Oberfläche eines aus diskreten Pulverpartikeln hergestellten
Werkstücks, auf die ein Strahlungspuls gerichtet wird, wodurch im
wesentlichen Kompaktierung und Verdichtung der Partikel bewirkt
wird;
(b) das Erzeugen eines Druckpulses mit einem Laser;
(c) die Herstellung von Druckbedingungen auf der Oberfläche der
diskreten Pulverpartikel durch dieses Belagmaterial, wodurch eine
Stoßwelle in und durch die Partikel geleitet wird;
(d) das Erhitzen eines Oberflächenbereichs dieser diskreten
Pulverpartikel durch teilweise Absorption des Laserstrahls durch
diese Partikel; dadurch
(e) das Verdichten und Erhitzen der Oberfläche der Partikel durch die
Wirkung der erzeugten Stoßwelle sowie Herstellung eines "grünen"
Werkstücks; und
(f) das Sintern des Werkstücks umfaßt.
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin über mindestens einem Teil der
Oberfläche dieser Partikel ein Belag plaziert wird, um die Stoßwelle
zu verstärken.
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ein akustisches Material an die
diskreten Pulverpartikel angrenzend plaziert wird, um die die Partikel
passierende Stoßwelle zu dämpfen.
4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Sintern mittels Heißem
Isostatischem Pressen durchgeführt wird.
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