EP0335193A2 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen - Google Patents

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EP0335193A2
EP0335193A2 EP89104699A EP89104699A EP0335193A2 EP 0335193 A2 EP0335193 A2 EP 0335193A2 EP 89104699 A EP89104699 A EP 89104699A EP 89104699 A EP89104699 A EP 89104699A EP 0335193 A2 EP0335193 A2 EP 0335193A2
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EP
European Patent Office
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layer
base body
chamber
mbar
hip
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Withdrawn
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EP89104699A
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Inventor
Hartmut Dr.-Ing. Kaiser
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Thyssen Guss AG
Original Assignee
Thyssen Guss AG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing molded parts and components, which are composed of a base body and a layer applied to this body, which are connected to one another by the hot isostatic press method (HIP method), the layer comprising a same or different material as the base body.
  • HIP method hot isostatic press method
  • the present invention is therefore based on the object of applying the thickest possible layer with a small pore volume without disturbing foreign phases, which can then be subjected directly to the HIP process in order to obtain a homogeneous base and layer material of the same type, or a heterogeneous one with different base and To produce layer material, molded body or a component, in the latter case both materials are homogeneous in themselves. In any case, the transition area should have a diffusive bond.
  • the diffusion zone is set by optimizing the HIP parameters, whereby the properties are to be harmonized.
  • the solution to this problem is that on the base body at a temperature of at least 600 ° C by means of plasma spraying at a chamber pressure of 140-180 mbar, which is set to at least 10-2 mbar after evacuation of the chamber more than 5 mm thick are sprayed on and the layer is connected to the base body by the HIP process at least 500 ° C. and at least 500 bar diffusively and without pores.
  • a reducing gas is advantageously added in addition to the inert gas.
  • the advantage of the method according to the invention is above all that a vacuum atmosphere in the chamber and an optimal base body and layer temperature of more than 600 ° C can be maintained during the coating process without a disturbing oxygen influence taking place, which in the sprayed layer, an optimal residual porosity of less than 3% is achieved, so that the subsequent HIP process makes a pore-free molded body possible, the two starting components - base body and layer with a thickness of more than 5 mm - are diffusively connected to one another.
  • a base body A) is produced, which is also produced by powder metallurgy by means of encapsulation using the HIP process can be and which consists of a nickel-based superalloy.
  • the base body A) is provided with a layer C) of Ni-based superalloy in a vacuum chamber, in which inert gas and a reducing gas are present, at a pressure of approx. 160 mbar after the plasma spraying process
  • the chamber was evacuated to at least 10 ⁇ 2 mbar and the necessary reducing atmosphere was then created by flooding with the appropriate gas mixture.
  • the special spray parameters for the plasma gases of 40 to 60 l argon per minute and 7 to 12 l hydrogen gas per minute are also prerequisites for producing these high-quality, technologically demanding layers.
  • the surface of the hot basic body is then coated with known powder conveying of the plasma spraying process, without interruption by cooling or heat compensation phases up to a minimum layer thickness of 26 mm.
  • This sprayed layer C) adheres adhesively to the carrier material A) in the transition phase B).
  • the targeted procedure thus enables a low-pore and foreign phase-free layer production, which results in a shaped body by the subsequent hot isostatic pressing (HIP).
  • the HIP process takes place at a temperature of at least 500 ° C and a pressure of at least 500 bar.
  • Figures 1 and 2 show a molded article produced according to this process, Figure 1 showing a micro-grinding in 500x magnification of a layer C) made of a heat-resistant Ni-base superalloy on a base body A) made of the same material with a pronounced transition zone B) before the implementation of the HIP process and Figure 2 shows the same part as Figure 1 but after the HIP process has been carried out.
  • the transition phase B) has disappeared and the base body and layer form a homogeneous, completely dense structure without Pores D), a diffusive bond being present in the transition phase B) which can no longer be determined, which forms the basis of high strength in the entire material composite.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen und Bauelementen, wobei der Grundkörper und eine darauf aufgespritzte Schicht mit dem Heiß-Isostatischen-Press-Verfahren miteinander verbunden werden und auf den Grundkörper bei einer Temperatur von mind. 6oo°C mittels Plasma-Spritzen bei enem Kammerdruck von 14o - 18o mbar, welcher nach Evakuieren der Kammer auf mind. 1o<->² mbar eingestellt ist, Schichten von mehr als 5mm Dicke aufgespritzt werden und die Schicht mit dem Grundkörper durch das HIP-Verfahren bei mind. 5oo°C und mind. 5oo bar diffusiv und porenfrei verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen und Bauelementen, welche aus einem Grundkörper und einer auf diesen Körper aufgebrachten Schicht zusammen­gesetzt sind, die mit dem Heiß-Isostatischen-Press-Verfahren (HIP-Verfahren) miteinander verbunden werden, wobei die Schicht aus einem gleichen oder ungleichen Material wie der Grund­körper besteht.
  • Nach den bisher bekannten Methoden und Verfahren, insbesondere nach dem DE-PS 34 34 529 und GB-PS 20 25 469, ist es nicht möglich, eine Plasma-Spritzschicht von mehr als 5 mm Schicht­dicke auf einen Grundkörper aufzubringen, um ein Formteil oder Bauelement zu erhalten. Plasma-Spritzschichten besitzen verfahrensbedingt Eigenspannungen, die mit steigender Schicht­dicke ebenfalls größer werden und ihren Grenzwert bei Erreichen der Haftzugfestigkeit zwischen Grundkörper und aufgebrachter Schicht haben. Dies bedeutet, daß in Abhängigkeit vom Werkstoff die aufgebrachte Schicht als Funktion der Schichtdicke abplatzt. Weiterhin sind verfahrensbedingt bei den konventionellen Beschichtungsweisen bei den zum Einsatz kommenden Schichten geringer Dicke Poren vorhanden, die insbesondere bei dynamischer und/oder korrosiver Beanspruchung des Bauteils zu desen Ausfall führen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst dicke Schicht mit geringem Porenvolumen ohne störende Fremdphasen aufzubringen, die anschließend unmittelbar dem HIP-Verfahren unterworfen werden kann, um einen homogenen bei artgleichem Grund- und Schichtwerkstoff, oder einen heterogenen bei unterschiedlichem Grund- und Schichtwerkstoff, Formkörper oder ein Bauelement herzustellen, wobei im letzteren Fall beide Werkstoffe in sich homogen sind. Der Übergangs­bereich soll in jedem Fall eine diffusive Bindung aufweisen.
  • Die Diffusionszone wird durch Optimierung der HIP-Parameter eingestellt, wodurch die Angleichung der Eigenschaften erreicht werden soll.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß auf den Grund­körper bei einer Temperatur von mind. 600 °C mittels Plasma-­Spritzen bei einem Kammerdruck von 140 - 180 mbar, welcher nach Evakuieren der Kammer auf mind. 10⁻² mbar eingestellt ist, Schichten von mehr als 5 mm Dicke aufgespritzt werden und die Schicht mit dem Grundkörper durch das HIP-Verfahren bei mind. 500 °C und mind. 500 bar diffusiv und porenfrei verbunden wird.
  • Vorteilhaft wird bei Verwendung von Cobalt- oder Nickel-Basis-­Superlegierungen, Refraktärmetallen der Nebengruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente und bei Karbiden, Nitriden und Boriden in der Atmosphäre der Kammer zusätzlich zu dem Inertgas ein reduzierendes Gas zugegeben.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren besteht vor allem darin, daß eine Vakuum-Atmosphäre in der Kammer und eine optimale Grundkörper- und Schichttemperatur von mehr als 600 °C während des Beschichtungsablaufs gehalten werden kann, ohne daß ein störender Sauerstoff-Einfluß stattfindet, wodurch in der gespritzten Schicht eine optimale Restporosität von weniger als 3 % erreicht wird, so daß der nachfolgende HIP-Prozess einen porenfreien Formkörper möglich macht, dessen beide Aus­gangskomponenten - Grundkörper und Schicht mit mehr als 5 mm Dicke - diffusiv miteinander verbunden sind. Hierdurch entfällt eine aufwendige Kapselung bei pulvermetallurgisch hergestellten Form- und Bauteilen, die nur unter Reinraumbedingungen bei der vorliegenden Werkstoffauswahl durchgeführt werden kann.
  • Nachfolgend ist anhand eines Beispiels die vorliegende Erfindung beschrieben.
    Zuerst wird ein Grundkörper A) gefertigt, der auch pulver­metallurgisch mittels Kapselung im HIP-Verfahren hergestellt werden kann und der aus einer Nickel-Basis-Superlegierung besteht. Der Grundkörper A) wird in einer Vakuum-Kammer, in der Inertgas und ein reduzierendes Gas vorhanden ist, bei einem Druck von ca. 160 mbar nach dem Plasma-Spritzverfahren mit einer Schicht C) aus Ni-Basis-Superlegierung versehen, nachdem vorher eine Evakuierung der Kammer auf mind. 10⁻² mbar erfolgt ist und anschließend durch Fluten mit den entsprechenden Gasgemisch die notwendige reduzierende Atmosphäre hergestellt wurde. Auch die speziellen Spritzparameter für die Plasmagase von 40 bis 60 l Argon pro Minute und 7 bis 12 l Wasserstoffgas pro Minute sind Voraussetzung zur Erzeugung dieser hochwert­igen, technologisch anspruchsvollen Schichten. Unter Konstant­haltung einer Grundkörpertemperatur von mind. 600 °C wird anschließend bei bekannter Pulverförderung des Plasmaspritz­prozesses die Oberfläche des heißen Grundkörpers beschichtet und zwar ohne Unterbrechung durch Abkühl- oder Wärmeausgleichs­phasen bis zu einer Mindestschichtdicke von 26 mm. Diese gespritzte Schicht C) haftet in der Übergangsphase B) adhäsiv am Trägerwerkstoff A). Wie das Schliffbild 1 zeigt, sind nur wenig Poren D) in der aufgespritzten Schicht C) vorhanden. Die gezielte Vorgehensweise ermöglicht also eine porenarme und fremdphasenfreie Schichtherstellung, die einen Formkörper durch das nachfolgende Heiß-Isostatische-Pressen (HIP) ergibt. Der HIP-Prozess erfolgt bei einer Temperatur von mind. 500 °C und einem Druck von mind. 500 bar.
  • Einen nach diesem Verfahren hergestellten Formkörper zeigen die Bilder 1 und 2, wobei Bild 1 einen Mikroschliff in 500facher Vergrößerung einer Schicht C) aus einer hochwarmfesten Ni-Basis-­Superlegierung auf einem Grundkörper A) aus dem gleichen Werkstoff mit ausgeprägter Übergangszone B) vor der Durch­führung des HIP-Verfahrens darstellt und Bild 2 das gleiche Teil wie Bild 1 aber nach Durchführung des HIP-Verfahrens zeigt. Die Übergangsphase B) ist verschwunden und Grundkörper und Schicht bilden ein homogenes völlig dichtes Gefüge ohne Poren D), wobei in der nicht mehr feststellbaren Übergangs­phase B) eine diffusive Bindung vorhanden ist, was die Grundlage hoher Festigkeit im gesamten Werkstoffverbund bildet.
  • Auch mit den anderen oben genannten Legierungen etc. lassen sich Schliffbilder erzielen, die Bild 2 sehr ähnlich sind. Wesentlich bleibt nur, daß die erfindungsgemäßen Schritte eingehalten werden.

Claims (3)

1) Verfahren zur Herstellung von Formteilen und Bauelementen, welche aus einem Grundkörper und einer auf diesen Körper aufgebrachten Schicht zusammengesetzt sind, die mit dem Heiß-Isostatischen-Press-Verfahren (HIP) miteinander ver­bunden werden, wobei die Schicht aus einem gleichen oder ungleichen Material wie der Grundkörper besteht, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Grundkörper bei einer Temperatur von mind. 600 °C mittels Plasma-Spritzen bei einem Kammer­druck von 140 bis 180 mbar, welcher nach Evakuieren der Kammer auf mind. 10⁻² mbar eingestellt ist, Schichten von mehr als 5 mm Dicke aufgespritzt werden und die Schicht mit dem Grundkörper durch das HIP-Verfahren bei mind. 500 °C und mind. 500 bar diffusiv und porenfrei verbunden wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß bei Verwendung von Cobalt- oder Nickel-Basis-Superlegierungen, Refraktärmetallen der Nebengruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente und bei Karbiden, Nitriden und Boriden in der Atmosphäre der Kammer zusätzlich zu dem Inertgas ein reduzierendes Gas zugegeben wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper pulvermetallurgisch mit dem HIP-Verfahren hergestellt ist.
EP89104699A 1988-03-30 1989-03-16 Verfahren zur Herstellung von Formteilen Withdrawn EP0335193A3 (de)

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EP0335193A3 (de) 1989-11-15
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DE3810851A1 (de) 1989-10-12

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