DE69605509T2

DE69605509T2 - Formenlose Herstellung von Metallkörper

Info

Publication number: DE69605509T2
Application number: DE69605509T
Authority: DE
Inventors: Clifford C. Bampton; Robert Burkett; Hong-Son Ryang
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2016-07-18
Also published as: US5745834A; CA2178884C; EP0764487B1; JPH09111308A; DE69605509D1; EP0764487A1; CA2178884A1; JP3660069B2

Description

FORMENLOSE HERSTELLUNG VON METALLKÖRPERN

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur formenlosen Fertigung (Free-form-fabrication) und insbesondere ein Verfahren zur formenlosen Fertigung von Metallkomponenten unter Verwendung von selektivem Verbinden mit einem Laser und durch Flüssigübergangsintern (Transient-liquid-sintering) von gemischten Pulvern.

Hintergrund der Erfindung

Zur formenlosen Fertigung von festen Gegenständen in polymeren Materialien unter Verwendung von rechnergestützten Konstruktionsdaten stehen kommerzielle Systeme zur Verfügung. Falls verfügbar, wäre ein ähnliches Verfahren der formenlosen Fertigung von kompliziert geformten Metallkomponenten für eine schnelle Herstellung von Prototypen und für vollständige Produktionsabläufe von kleinen Chargen wertvoller Bauteile von Nutzen. Bekannte Verfahren wurden jedoch nicht erfolgreich zur direkten formenlosen Herstellung von Metallkomponenten hoher Festigkeit und struktureller Integrität angepaßt.
Bei einem Versuch, ein schnelles Prototypensystem für Metallkomponenten zu entwickeln, wurden zwei gesonderte Legierungspulver in einem Verfahren zum selektiven Lasersintern (SLS) verwendet. Eine einzige Schicht aus Pulver mit der Grundlegierungszusammensetzung der Metallkomponente, wie beispielsweise Haynes 230 Superalloy, wurde in einer Dicke, äquivalent 85% eines Einschichtsegments in einem Verfahren zum zweidimensionalen Aufbau von Laminatkomponenten verteilt. Eine zweite Schicht aus Pulver mit verminderter Schmelztemperatur, wie Haynes 230 Alloy, mit beispielsweise 3 Gewichtsprozent Bor, wurde über die erste Pulverschicht mit einer Dicke, äquivalent den letzten 15% der vollständigen Schicht des stereolithographischen Segments der Komponente verteilt. Die Pulverschichten wurden in einer inerten Umgebung auf eine Temperatur, gerade unter dem Schmelzpunkt der Deckpulverschicht, vorerhitzt. Ein ausreichend starker Laserstrahl wurde auf ausgewählte Flächen der Deckschicht gerichtet, um das Deckpulver zu schmelzen. Das flüssige Metall drang schnell in die unmittelbar darunter liegende Pulverschicht ein und verfestigte sich isotherm als das Mittel zur Senkung der Schmelztemperatur (in diesem Beispiel Bor) aus der flüssigen Phase in das feste Pulver diffundierte. Dieses Verfahren erzeugt schnell ein nahezu vollständig dichtes Segment der Komponente. Frische Pulverschichten wurden dann darüber ausgebreitet und das Verfahren wiederholt, um nacheinander die vollständige feste Komponente Schicht für Schicht rechnergestützt gemäß den Konstruktionsdaten aufzubauen. Eine letzte Behandlung durch isostatisches Heißpressen (HIP) wurde angewendet, um den geringen Anteil vereinzelter Porosität zu schließen.
Eine Begrenzung des vorangehenden Verfahrens unter Verwendung üblicher Ausstattung besteht darin, daß die Temperatur des Pulverbettes nicht leicht über etwa 200ºC angehoben werden kann. Der Laserstrahl muß jedoch die Temperatur der oberen Pulverschicht oberhalb ihres Schmelzpunkts anheben, im allgemeinen oberhalb 1000ºC. Im Ergebnis wird die Komponente starken Temperaturgradienten unterzogen, die beim Aufbau Restspannungen und Verwerfungen der Komponente erzeugen.
In einem alternativen Verfahren wurde ein Polymerpulver mit einem Metallpulver vermischt. Selektives Lasersintern, wie vorstehend beschrieben, wurde dann angewendet, um den Polymerpulverbestandteil zu schmelzen. Das geschmolzene Polymer verband das am Ort befindliche Metallpulver Schicht für Schicht unter Bildung eines festen, jedoch porösen Gegenstands. Nachdem die Komponente zum Ausbrennen des polymeren Bindemittels erhitzt wurde, wurde sie teilweisem Sintern (fester Zustand) unterzogen, um dem verbleibenden Metallpulver zur anschließenden Verdichtung Restfestigkeit zu verleihen. Die teilweise gesinterte Komponente wurde dann durch Infiltration mit einem flüssigen Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt (wie beispielsweise Kupfer für ein Stahlpulverteil) oder durch isostatisches Heißverpressen (HIP) verdichtet, was eine gewisse Form der Einkapselung erfordert, um den HIP-Gasdruck auf die porösen Komponente zu übertragen. Die mit diesem Verfahren verbundenen Hauptprobleme sind sehr geringe Metalldichte nach dem Ausbrennen des Polymerbindemittels, was zu einem Verlust an Steuerung der Abmessungen und Form des Teils während der letzten Verdichtung durch eine gewisse Form des HIP-Verfahrens und zu sehr geringer Festigkeit bei Komponenten, die die Infiltration flüssigen Metalls für die letzte Verdichtung nutzen, führt. Aufgrund der Einschränkungen dieses Verfahrens gibt es einen Bedarf für neue Verfahren des selektiven Lasersinterns zur formenlosen Fertigung kompliziert geformter Metallkomponenten.
Ein Verfahren, das das selektive Lasersintern eines Metallpolymergemisches einbezieht, wird in der Druckschrift WO-A-92 10343 offenbart.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zur formenlosen Herstellung von Metallkomponenten durch selektives Lasersintern (SLS) von vermischten Pulvern; im allgemeinen unter Verwendung von rechnergestützten Konstruktionsdaten (CAD). Das in dem vorliegenden Verfahren verwendete, gemischte Pulver umfaßt eine Stamm- oder Grundmetallegierung, die ungefähr 75-85% des gesamten Gemisches aufbaut; ein bei geringer Temperatur schmelzendes Metallpulver, das im allgemeinen eine Legierung des Grundmetalls umfaßt, die ungefähr 5-15% des Gesamtgemisches ausmacht und ein Polymerbindemittel, das ungefähr 5- 15% des Gesamtgemisches ausmacht.
Das Pulvergemisch kann in einer üblichen SLS-Vorrichtung verwendet werden, um mit einem Laser einen vorgebildeten Teil Schicht-für-Schicht durch örtliches Schmelzen des das Pulver ausmachenden Polymers aufzubauen, das leicht wieder verfestigt, um die Metallteilchen des Pulvers mit verbindenden Hälsen oder Brücken zu binden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das aufbauende Polymer ein feines, hochreines Pulver aus kugelförmigen Nylonteilchen. Nach Fertigstellung des Vorbildungsteils wird das Bindemittel in einem Vakuumofen bei höherer Temperatur und unterhalb Atmosphärendruck entfernt. Die Morphologie des durch das vorliegende Verfahren gesinterten Polymerpulvers stellt offene, verbundene Poren zum zwanglosen Strömen des Polymerdampfs zur Oberfläche des vorgebildeten Teils bereit, ohne daß örtliche Dampfdrucktaschen aufgebaut werden, die das Teil schädigen können.
Es ist im allgemeinen erforderlich, für den vorgebildeten Teil während der Entfernung des Polymerbindemittels und des anschließenden Verdichtungsverfahrens des Flüssigübergangsinterns Träger bereitzustellen. Weil sowohl die Entfernung des Polymerbindemittels als auch die Erzeugung eines Volumens von flüssigem Metall (im allgemeinen etwa 10-20 Volumen%) zu einer zeitweiligen Verminderung der integralen Festigkeit des Teils führen, kann ein Trägerpulver (beispielsweise ein keramisches Pulver) verwendet werden, um das Teil während der Verdichtung zu tragen und zu umgeben. Vorzugsweise umfaßt das Trägerpulver feine, kugelförmige Körner, die leicht fließen und stellt kontinuierlich Träger für alle Bereiche des verdichteten Teils bereit, um Rißbildung oder in-sich-Zusammensacken unter der Gravitationswirkung zu verhindern.
Ein alternatives Verfahren der Bereitstellung von Träger für den vorgebildeten Teil ist die Erzeugung eines ("grünen"; das heißt nicht verdichteten) Vorform-Trägerwerkzeugs, das strukturelle Trägerformen um faßt. Das grüne Trägerwerkzeug kann gleichzeitig wie der Vorformteil durch SLS unter Verwendung der Volumina des vermischten Pulvers, die für das Teil benötigt nicht werden, erzeugt werden. Wenn das Trägerwerkzeug große Volumina von kostspieligem Legierungspulver erfordert, kann das Trägerwerkzeug in einem gesonderten SLS-Verfahren unter Verwendung von kostengünstigeren Legierungspulvern hergestellt werden. Nach der Herstellung kann das Grünträgerwerkzeug mit einer feinen Beschichtung aus (beispielsweise) Aluminiumoxid- oder Yttriumoxidpulver besprüht werden, um die Trägerformen vom Anhaften an dem vorgebildeten Teil während des Flüssigübergangsinter-Verdichtungsverfahrens zu bewahren. Das Grünwerkzeug, das vorgeformtes (das heißt nicht verdichtetes) Material mit im wesentlichen der gleichen Schrumpfungsrate wie der vorgebildete Teil umfaßt, kann, falls erforderlich, zur Bereitstellung von strukturellem Halt während des Verdichtungsverfahrens unter oder um das Teil angeordnet werden.
Der gleiche Vakuumofen, der für die Entfernung von Bindemittel verwendet wird, wird im allgemeinen für das Flüssigübergangsintern und Verdichten des getragenen Teils durch gesteuerte Wärmebehandlung verwendet. Gesteuerte Aufheizraten und isotherme Haltezeiten innerhalb eines engen Temperaturbereichs verursachen Flüssigübergangsintern des Teils fast bis zur vollständigen Dichte mit der gewünschten Größe und den gewünschten Toleranzen der Abmessungen. Die maximale isotherme Haltetemperatur für den Teil liegt oberhalb des Schmelzpunkts der bei niederer Temperatur schmelzenden Legierung, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts der Grundmetallegierung.
Als eine letze Stufe kann der verdichtete Teil einer isostatischen Heißpreßbehandlung (HIP) unterzogen werden. HIP-Behandlung kann erforderlich sein, um restliche Porosität zu schließen und die chemische Homogenisierung des Teils, insbesondere bezüglich der die Temperatur senkenden Komponente der Legierung, zu vervollständigen. Die Eliminierung von restlicher Porosität ist von Bedeutung, um Ermüdungseigenschaften des Teils zu verbessern, und die Homogenisierung der Legierung kann die Eigenschaften von Umgebungstemperaturduktilität, Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit verbessern.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist die schnelle formenlose Herstellung von Metallkomponenten. Ein Merkmal der Erfindung ist selektives Verbinden mit einem Laser und Flüssigübergangsintern eines Pulvergemisches, das ein Grundmetall, ein bei niederer Temperatur schmelzendes Metall und ein Polymerbindemittel enthält. Ein Vorteil der Erfindung ist die schnelle Erzeugung von kompliziert geformten Metallprototypen, und sind die Produktionsabläufe kompletter kleiner Chargen mit kostspieligen Metallkomponenten ohne den notwendigen Einsatz von Werkzeugsätzen oder spanabhebender Bearbeitung.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere Vorteile davon nimmt die nachstehende genauere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer selektiven Lasersintervorrichtung (SLS), wie sie beim Vorformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zur formenlosen Herstellung von Metallkomponenten durch selektives Laserbinden und Flüssigübergangsintern von vermischten Pulvern. Das Verfahren, das rechnergestützt Konstruktionsdaten direkt aus einer Rechnerzentraleinheit verwendet, ist für eine schnelle Ferti gung von kompliziert geformten Metallprototypen und für vollständige Produktionsabläufe kleiner Chargen mit kostspieligen Komponenten oder Preßformwerkzeugen von Nutzen ohne den Bedarf für einen speziellen Werkzeugsatz oder spanabhebende Bearbeitungsvorgänge.
Bei der Vorbereitung zum selektiven Lasersintern (SLS), wie in dem vorliegenden Verfahren modifiziert, werden drei Pulver zusammengemischt. Ein Pulver umfaßt die gewünschte Stamm- oder Grundmetallegierung, wie z. B. Haynes 230 Superalloy auf Nickelbasis, das ungefähr 75-85% (vorzugsweise etwa 82%) des gesamten Pulvergemisches ausmacht. Das Grundmetall kann beispielsweise aus Metallelementen, wie Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Rhenium, Titan und Aluminium, ausgewählt werden, die durch ein Flüssigübergangsinterverfahren zu geeigneten Pulvern geformt werden und anschließend verdichtet werden können. Ein zweites Pulver, das ungefähr 5-15% (vorzugsweise etwa 10%) des gesamten Gemisches ausmacht, umfaßt im allgemeinen die gleiche Grundmetallegierung wie das erste Pulver, jedoch mit einer ausreichenden Menge eines Legierungselements, wie Bor (im allgemeinen etwa 3-4%), beispielsweise zugegeben, um den Schmelzpunkt der Legierung um mindestens etwa 200ºC und vorzugsweise 300-400ºC zu senken. Andere Legierungselemente, die als Mittel zum Senken des Schmelzpunkts verwendet werden können, schließen beispielsweise Silizium, Kohlenstoff, Phosphor und eine große Anzahl an Metallelementen ein, die mit den verschiedenen, vorstehend beschriebenen Grundmetallen (wie Magnesium mit Aluminium beispielsweise) eutektische Zusammensetzungen mit niedrigem Schmelzpunkt bilden. Die mittlere Teilchengröße der Metallpulver liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 1-55 um (vorzugsweise im Bereich von etwa 25- 55 um) und kann beispielsweise als -325 Mesh ausgewiesen sein. Ein drittes Pulver, das ungefähr 5-15% (vorzugsweise etwa 8%) des gesamten Gemisches ausmacht, umfaßt ein Polymerbindemittel. Die mittlere Teilchengröße des Polymerbindemittelpulvers liegt im allgemeinen im Bereich von 1-50 um (vorzugsweise im Bereich von etwa 3-8 um). Es sollte angemerkt werden, daß das vorliegende Verfahren auf andere Materialien und Zusammensetzungen anwendbar ist und daß der Fachmann es verstehen wird, daß die Legierungen, Vermischungsprozentsätze und Temperaturen, die hierin beschrieben werden, als Beispiele und nicht als Begrenzungen der vorliegenden Erfindung wiedergegeben werden.
Das selektive Lasersinterungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird schematisch in Fig. 1 erläutert, die einen Seitenquerschnitt einer SLS-Vorrichtung 10 und einen zu fertigenden Teil 15 zeigt. Die SLS- Vorrichtung 10 schließt Seitenwände 12 und eine Plattform oder einen Tisch 14 ein. Tisch 14 kann mit Schlangen 16, beispielsweise eingebettet in Tisch 14, erhitzt werden. Tisch 14 kann so aufgebaut sein, daß er stufenweise innerhalb der Wände 12 abfällt unter Bildung eines Hohlraums, der ein zu sinterndes Pulver 18 enthält. An Vorrichtung 10 kann ein Mittel 20 zum Ausbreiten der abgemessenen Schichten des Pulvers 18 auf der Tischoberfläche 14 innerhalb des Sinterungshohlraums angeordnet werden.
Pulver 18, das ein wie vorstehend beschriebenes, dreiteiliges Gemisch umfaßt, wird in dem vorliegenden Verfahren verwendet, um eine vorgeformte Größe des gewünschten Teils 15 aufzubauen. Mittel 20 kann verwendet werden, um eine dünne Schicht (ungefähr 0,001" bis 0,020" beispielsweise) von Pulver 18 auf Tisch 14 auszubreiten, das anfänglich genau unterhalb der oberen Wandränder 12 angeordnet ist. Tisch 14 kann mit Kühlschlangen 16 erhitzt werden, um die Temperatur des gemischten Pulvers 18 auf ein gewünschtes Niveau unterhalb des Schmelzpunkts des Bestandteils des polymeren Bindemittels zu bringen. Ein Strahl 22 von einem Laser 24 wird über die Schicht von vermischtem Pulver 18, im allgemeinen gesteuert mit einer Rechnerzentraleinheit 25 mit rechnergestützten Konstruktionsdaten (CAD) für Teil 15 geführt, um selektives Lasersintern für Pulver 18 durchzuführen. Die Wirkung des Strahls 22 besteht in einem genau örtlichen Erhitzen von Pulver 18. Vorzugsweise wird Strahl 22 durch einen Laser im Infrarot- oder nahe Infrarotbereich erzeugt, obwohl ein beliebiger, zur Erzeugung von genauem örtlichen Erhitzen ausreichend starker, fokussierter Energiestrahl verwendet werden kann. Somit verursacht das SLS-Verfahren örtliches Schmelzen des polymeren Bestandteils der Schicht von vermischtem Pulver 18, wenn es mit dem Laserstrahl 22 abgetastet wird. Das geschmolzene Polymer verfestigt sich rasch unter Binden der Metallbestandteile von Pulver 18 mit verbindenden Nacken oder Brücken zwischen den Metallteilchen. Nachdem Laserstrahl 22 sein Abtasten beendet hat, wird Tisch 14 um ein vorbestimmtes Inkrement gesenkt, eine neue Schicht Pulver 18 wird auf dem Oberen der vorangehenden Schicht ausgebreitet und das SLS-Verfahren wird zum Schicht für Schicht- Aufbauen von Teil 15 gemäß dem Konstruktionsplan, der durch die Rechnerzentraleinheit 25 bereitgestellt wird, wiederholt.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, verglichen mit üblichem SLS von 100% Polymerpulvern, ist die Verwendung einer relativ kleinen Volumenfraktion von Polymerbindemittel (beispielsweise etwa 5-15%) in gemischtem Pulver 18. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Polymerbestandteil von vermischtem Pulver 18 ein feines, sehr reines Pulver aus kugelförmigen Nylonteilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von ungefähr 3-8 um. Wie vorstehend beschrieben formuliertes vermischtes Pulver 18 weist die nachstehenden Eigenschaften auf: (1) ausgezeichnete Fließeigenschaften in SLS-Vorrichtung 10; (2) ausgezeichnete Lasersinterungseigenschaften mit weniger thermischer Zerstörung und höherer Wiederholbarkeit zwischen den Aufbauvorgängen, verglichen mit üblichen 100% Polymerpulvern (was sich aus einer höheren thermischen Leitfähigkeit des Metallanteils von vermischtem Pulver 18 ergibt); (3) hohe Metallvolumenfraktion in dem "grünen", vorgebildeten Teil (das heißt vor der Verdichtung), die sich aus der niedrigen Volumenfraktion des polymeren Bindemittels ergibt, ausgezeichnete Pulverfließeigenschaften und hohe Klopfdichte, bereitgestellt durch ein Gemisch mit völlig kugelförmigem Pulver mit kontrollierter Größenverteilung; und (4) hohe Toleranz in den Abmessungen, hohe Oberflächengüte und Robustheit des mit Polymer gebundenen, vorgeformten Teils 15, aufgrund des starken Überbrückungsverhaltens des flüssigen, polymeren Bindemittels zwischen Metallteilchen unter natürlichen Oberflächenspannungskräften.
Nach Fertigstellung der Endschicht von Lasersintern wird das aufgebaute, vorgebildete Teil 15 von der SLS-Vorrichtung 10 entfernt. Die Entfernung des Polymerbindemittelbestandteils von dem vorgebildeten Teil 15 kann durch Anordnen von Teil 15 in einem Vakuumofen bei erhöhter Temperatur (etwa 300-500ºC beispielsweise) und niederem Atmosphärendruck erreicht werden. Die Verwendung einer geringen Volumenfraktion des bevorzugten hochreinen Nylon-Bindemittels weist die Vorteile von (a) sehr geringer Verunreinigung des Grundmetalls durch Bindemittelrest (hauptsächlich Kohlenstoff) aufgrund der hohen Reinheit des anfänglichen Nylonpulvers, und (b) relativ schnelles Ausgasen bei minimaler physikalischer Schädigung des porösen, vorgebildeten Teils 15, aufgrund der niedrigen Volumenfraktion von Nylon, und dessen bevorzugter Anordnung als Brücken über die Kontaktpunkte der Metallteilchen auf. Somit stellt der Aufbau des gesinterten Polymerpulvers des vorliegenden Verfahrens offene, verbundene Poren zum zwanglosen Strömen des Nylondampfes zur Oberfläche des vorgebildeten Teils 15 während des Ausgasungsverfahrens im Vakuumofen, ohne Aufbau von örtlichen Dampfdrucktaschen, die den vorgebildeten Teil 15 schädigen könnten, bereit.
Es ist im allgemeinen erforderlich, Träger für Teil 15 während der Entfernung der Polymerbindemittelkomponente und des anschließenden Flüssigübergangsinterverfahrens (weiterhin nachstehend beschrieben) bereitzustellen. Sowohl die Entfernung von Polymerbindemittel, als auch die Erzeugung eines Volumens von flüssigem Metall (im allgemeinen etwa 10-20 Volumen%) wirken, um temporär die Integralfestigkeit von Teil 15 zu vermindern. Um Halt bereitzustellen, kann ein Trägerpulver verwendet werden, mit dem das vorgebildete Teil 15 während des Verdichtungsverfahrens umgeben wird. Beispiele für geeignete Trägerpulver für Teil 15 schließen keramische Pulver, wie Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Siliziumnitrid und Bornitrid, und Metallpulver mit keramischer Oberflächenbeschichtung, wie Nickelaluminid-(Ni&sub3;Al)-Pulver beispielsweise mit einer nitrierten Oberfläche ein.
Vorzugsweise umfaßt das Trägerpulver feine, kugelförmige Körner, um leicht zu fließen, das gleichförmige Erhitzen während der Verdichtung zu sichern und einen kontinuierlichen Träger für alle Bereiche bereitzustellen, um Rißbildung oder in-sich-Zusammenfallen von Teil 15 unter der Gravitationswirkung zu verhindern. Das Trägerpulver sollte ausreichend thermische Leitfähigkeit besitzen, um gleichförmiges Erhitzen bereitzustellen, mit Metallteil 15 nicht reaktiv sein, und bei Temperaturen, die für das Flüssigübergangssinterungsverfahren erforderlich sind, nicht aggregiert sein. Nicht gleichförmiges Erhitzen von Teil 15 kann aufgrund des ungleichmäßigen Schrumpfens während des Verdichtungsverfahrens Rißbildung verursachen. Agglomeration kann dazu führen, daß überschüssiges Trägerpulver in den Hohlräumen festgehalten wird und bei Belastung in dem verdichteten Teil 15 Rißbildung entsteht.
Gleichförmige Wärmeübertragung und hinhaltendes Tragen des verdichteten Teils 15 kann durch das Bereitstellen von Trägerpulver in einer mäßigen Wirbelschicht, die durch entweder eine mechanische Rührwirkung oder ein rezirkulierendes Gas erzeugt werden kann, verbessert werden. Ein rezirkulierendes Gas sollte so ausgewählt werden, daß das Flüssigübergangsinterverfahren nicht behindert ist (und vorzugsweise verbessert wird). Verglichen mit einer Vakuumumgebung, wird ein Gasgemisch von Methan, Wasserstoff und Stickstoff die Sinterungsgeschwindigkeit und die Härte des Eisen(II)- oder Nickellegierungsteils beispielsweise erhöhen. Ein ideales Pulver für ein fluidisiertes Medium ist ein Material mit einer ähnlichen oder etwas geringeren Dichte als jene des Teils, der in dem Flüssigübergangsinterverfahren mit Wärme zu behandeln ist. Eine Wärmebehandlung für einen Nickel- oder Stahllegierungsteil in der Wirbelschicht kann beispielsweise durch ein Nickelaluminidpulver bereitgestellt werden, das zur Bereitstellung einer dicken Oberflächen- Nitridbeschichtung auf den Nickelaluminidpulverteilchen behandelt wurde.
Ein alternatives Verfahren zur Bereitstellung eines Trägers für den vorgebildeten Teil 15 besteht in der Herstellung eines vorgebildeten ("grünen") Trägerwerkzeugs (das heißt strukturell getragene Formen), wie in Fig. 1 als Formen 28 erläutert. Grüne Trägerformen 28 können durch SLS, gleichzeitig wie vorgebildeter Teil 15, unter Verwendung der Volumina an vermischtem Pulver 18, die nicht für Teil 15 benötigt wird, erzeugt werden. Wenn Pulver 18 ein kostspieliges Legierungspulver umfaßt und das Trägerwerkzeug große Volumina erfordert, kann das Trägerwerkzeug in einem gesonderten SLS-Verfahren unter Verwendung eines kostengünstigeren Legierungspulvers hergestellt werden. Nach der Fertigung und der Entfernung aus Vorrichtung 10 können die grünen Trägerformen 28 mit einer feinen Schicht eines Trennmittels, wie beispielsweise Aluminiumoxid- oder Yttriumoxidpulver, besprüht werden, um zu verhindern, daß die Trägerformen 28 während des Flüssigübergangsinterungs-Verdichtungsverfahrens an dem vorgebildeten Teil 15 anhaften. Die Grünformen 28, die Material mit der gleichen Schrumpfungsrate wie der vorgebildete Teil (oder im wesentli chen der gleichen Schrumpfungsrate, wenn kostengünstigere Legierung verwendet wird) umfassen, werden, falls erforderlich, unter oder um Teil 15 angeordnet, um während des Verdichtungsverfahrens strukturellen Halt bereitzustellen.
Vorzugsweise wird der Bestandteil mit der niederen Schmelztemperatur des Metallpulvergemisches mit einer Grundlegierungszusammensetzung vorlegiert, um schnell und gleichförmig zu schmelzen, wenn die Flüssigübergangsinterungstemperatur erhöht wird. Elementpulver eines den Schmelzpunkt senkenden Materials liefern im allgemeinen kein ausreichend schnelles Schmelzen. Vorlegierte Pulver mit niedriger Schmelztemperatur mit einer Legierungszusammensetzung, die sich von der Grundlegierungszusammensetzung, die im allgemeinen eine nichthomogene Zusammensetzung und Mikrostruktur in dem verdichteten Teil erzeugt, unterscheiden, ergeben schlechte mechanische Eigenschaften. Vorzugsweise liegt der Bestandteil mit niedriger Schmelztemperatur in Form eines gesonderten Pulvers mit einer Teilchengröße, ähnlich zu jener des Grundmetallpulvers, vor, so daß die zwei Metallpulver wirksam durch übliche mechanische Vermischungsverfahren vermischt werden können, und die Oberflächenkontaktfläche zwischen dem Grundmetallpulver und dem Pulver mit niedriger Schmelztemperatur wird minimiert unter Verminderung der gegenseitigen Diffusion und Sicherung des wirksamen Schmelzens bei der Flüssigübergangsinterungstemperatur. Die Verwendung eines Grundmetallpulvers mit einer Beschichtung des Bestandteils mit niedriger Schmelztemperatur ist, aufgrund der größeren Kontaktfläche der Pulverbeschichtung, (verglichen mit den diskreten Pulverteilchen), was starke gegenseitige Diffusion und Verdünnung des den Schmelzpunkt senkenden Elements vor dem Erreichen der Flüssigübergangsintertemperatur ermöglicht, weniger wirksam.
Der gleiche Vakuumofen, der zum Eliminieren des Polymerbindemittels verwendet wird, kann für das Flüssigübergangsintern und die Verdichtung von Teil 15 durch gesteuerte Wärmebehandlung angewendet werden. Spezielle Aufheizraten und isotherme Haltezeiten innerhalb eines engen Temperaturbereichs verursachen Flüssigübergangsintern von Teil 15, bis zur nahezu vollständigen Dichte, mit ausreichend gesteuertem und wiederholbarem Schrumpfen, unter Herstellung gewünschter Größen und Toleranzen der Abmessungen für den netzförmigen Teil 15. Der kritische Materialbestandteil für diese Stufe des Verfahrens ist das Pulver mit der niedrigeren Schmelztemperatur, das im allgemeinen die Grundmetallegierung (etwa 5-15% des Gesamtvolumens) mit einem legierenden Zusatz (wie beispielsweise etwa 3-4% Bor), um den Schmelzpunkt der Grundlegierung um ungefähr 300-400ºC zu senken, umfaßt. Die maximale isotherme Haltetemperatur für Flüssigübergangsintern von Teil 15 liegt oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung mit niederer Temperatur (beispielsweise boridiert), jedoch unterhalb des Schmelzpunkts der Grundmetallegierung. Die Vorteile der Anwendung einer Legierung mit niederer Schmelztemperatur zum Flüssigphasensintern (verglichen mit Flüssigphasensintern der Grundmetallegierung allein) schließen die nachstehenden ein: (1) nur etwa 5-15% des gesamten Metallpulvers schmilzt, so daß die leichten Elemente des Teils unter der Schwerkraft zusammenfallen, was wahrscheinlich ist (verglichen mit dem Fall des Flüssigphasensinterns des Grundmetalls einzeln, wenn alle der Pulverteilchen teilweise schmelzen); (2) Sintern tritt bei ungefähr 200-400ºC unterhalb des Schmelzpunktes des Grundmetalls allein auf, das eine ausgezeichnete Mikrostruktur bereitstellt (verglichen mit der unerwünschten mikrostrukturellen Vergröberung des ungeschmolzenen Grundmetalls bei höheren Temperaturen) und wesentliche wirtschaftliche Vorteile bezüglich der Ofenanlage aufweist; und (3) Wiederverfestigung (im boridierten Fall) erfolgt durch isotherme Verdünnung von Bor in der Flüssigkeit (das heißt durch Diffusion von Bor in die festen Grundmetallpulverteilchen), was einen schnellen Anstieg des Schmelzpunktes ergibt (wohingegen Wiederverfestigung des Grundmetalls allein nur durch Senken der Ofentemperatur stattfindet). Das isotherme Verfestigungsverfahren, das den boridierten Fall einbezieht, ergibt eine ausgezeichnete Mikrostruktur, weil es keine Temperaturgradienten gibt, die während der Verfestigung unerwünschte Segregation auslösen.
Während des vorstehend beschriebenen Verdichtungsverfahrens kann es ratsam sein, den vorgebildeten Teil 15 und die Grünträgerformen 28 auf eine glatte, reibungsarme Platte, die ein Material, wie beispielsweise Bornitrid oder spanabhebend bearbeitetes Graphit, umfaßt, anzuordnen. Die Verwendung einer reibungsarmen Platte ermöglicht Teil 15 (und Trägerformen 28), gleichförmig oben und unten zu schrumpfen, unter Entfernen von Verwerfungen, die ansonsten von den schwerkraftmäßigen und reibungsmäßigen Zwängen, die auf die Bodenoberfläche wirken, herrühren könnte.
Obwohl die vorangehende Verdichtungsstufe des Verfahrens im allgemeinen einen vollständig dichten Teil 15 erzeugt, kann es in einigen Fällen erwünscht sein, eine fertige, heiße, isostatische Druckbehandlung (HIP) einzuschließen. Die HIP-Behandlung kann erforderlich sein, um restliche Porosität einzubeziehen und chemische Homogenisierung des Teils, insbesondere bezüglich der Temperatur senkenden Komponente der Legierung (beispielsweise Bor), zu vervollständigen. Die Entfernung von restlicher Porosität ist von Bedeutung, um die Ermüdungseigenschaften von Teil 15 zu verbessern. Die Homogenisierung des Boranteils kann die Eigenschaften von Umgebungstemperatur, Duktilität, Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit verbessern. In einigen Anwendungen des Verfahrens kann es erwünscht sein, das Volumen der vorübergehenden Flüssigkeit in der Verdichtungsstufe zu begrenzen. Dies könnte erwünscht sein, um das gravitationsmäßige Zusammenfallen während des Flüssigübergangsintern zu minimieren oder den Gesamtborgehalt für verbesserte mechanische Eigenschaften zu vermindern. Wenn das Volumen der vorübergehenden Flüssigkeit begrenzt ist, kann jedoch eine signifikante Menge an restlicher, isolierter Porosität erwartet werden. In diesem Fall kann eine letzte HIP-Behandlung erforderlich sein, um die mechanischen Endeigenschaften von Teil 15 zu optimieren. Trotzdem werden unter Verwendung einer Temperatur senkenden Legierung für Flüssigübergangsintern, verglichen mit direkter Festkörper-HIP-Konsolidierungsbehandlung des vorgebildeten (grünen) Teils, die nachstehenden Vorteile bereitgestellt: (1) HIP-Werkzeugsatz oder Verpackung ist nicht erforderlich, weil restliche Porosität vereinzelt und nicht Oberflächen-verbunden ist (somit werden Komplexität und Merkmale, wie Oberflächen-verbundene innere Kanäle und Hohlräume, die bei einem monolithischen Teil durch ein beliebiges anderes Verfahren nicht zu verwirklichen sind, ermöglicht); und (2) die vorübergehende Flüssigkeit benetzt alle Grundmetallpulverteilchen, wobei die Oberflächenoxide und anderen Verunreinigungen vor der erneuten Verfestigung wirksam abgewaschen werden. Die Entfernung der Teilchenoberflächenoxide und Verunreinigungen wird unterstützt, weil deren Anwesenheit im allgemeinen signifikante Verminderung der Ermüdungs- und Brucheigenschaften in direkt HIP-behandelten Pulvern verursacht.

Claims

1. Verfahren zur formenlosen Fertigung (Free-form-fabrication) von Metallkomponenten, umfassend die Schritte:

Vermischen von Pulvern eines Grundmetalls, eines bei geringerer Temperatur schmelzenden Metalls und eines Polymerbindemittels zur Bildung eines Pulvergemisches (18);

Ausbreiten einer Schicht des Pulvergemisches (18) auf einer Unterlage (14);

Richten eines Energiestrahls (22) auf ausgewählte Flächen der Schicht des vermischten Pulvers (18) zum örtlichen Schmelzen des Polymerbindemittels, wobei das Polymerbindemittel sich zum Binden der Metallpulver in den ausgewählten Flächen wiederverfestigt;

Wiederholen der Schritte Ausbreiten des Pulvergemisches (18) und Richten des Energiestrahls (22) auf ausgewählte Flächen von aufeinanderfolgenden Schichten zum Aufbau eines Vorformteils (15) aus Polymergebundenen Pulvern;

Erhitzen des Vorformteils (15) zum Verdampfen und Entfernen des Polymerbindemittels aus dem Vorformteil (15) und

Verdichten des Vorformteils (15) durch Flüssigübergangsintern (Transient-liquid-sintering) und isothermes Wiederverfestigen (isothermal resolidification) bei einer zum Schmelzen des bei geringerer Temperatur schmelzenden Pulvers, jedoch nicht für das Grundmetallpulver ausreichenden Temperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt Trennen des Vorformteils (15) von dem Pulvergemisch (18) vor dem Schritt Erhitzen des Vorformteils (15).

3. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend den Schritt Tragen des Vorformteils (15) während des Erhitzungs- und Verdichtungsschritts in einem Bett aus Trägerpulver, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus keramischen Pulvern und keramisch beschichteten Metallpulvern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt Tragen des Vorformteils (15) in einem Bett aus Trägerpulver Auswählen des Trägerpulvers aus der Gruppe, bestehend aus Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Siliziumnitrid, Bornitrid und Oberflächen-nitrierten Nickelaluminidpulvern, einschließt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt Tragen des Vorformteils (15) in einem Bett aus Trägerpulver den Schritt Bereitstellung einer Wirbelschicht aus Trägerpulver einschließt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend die Schritte:

Bereitstellung von Vorform-Trägerformen (28);

Beschichten der Vorform-Trägerformen (28) mit einem Trennmittel; und

Anordnen der beschichteten Vorform-Trägerformen (28), um den Vorformteil (15) während des Erhitzungs- und Verdichtungsschritts zu tragen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin den Schritt Anordnen des Vorformteils (15) und der Trägerformen (28) auf einer reibungsarmen Platte während des Erhitzungs- und Verdichtungsschritts umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin den Schritt heißisostatisches Pressen des verdichteten Teils, um restliche Porosität zu schließen und um die chemische Homogenisierung des Teils zu vervollständigen umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vermischungsschritt Formen des Pulvergemisches, das aus etwa 75-85% des Metallgrundpulvers, etwa 5-15% des Metallpulvers mit geringerer Schmelztemperatur und etwa 5-15% des Polmerbindemittelpulvers aufgebaut ist, umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt Vermischen des Polymerbindemittels Vermischen mit einem hochreinen Nylon in Form von feinen, kugelförmigen Teilchen umfaßt.