EP3419783A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstücks durch beschichten und additives herstellen; entsprechendes werkstück - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines werkstücks durch beschichten und additives herstellen; entsprechendes werkstück

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EP3419783A1
EP3419783A1 EP17705085.3A EP17705085A EP3419783A1 EP 3419783 A1 EP3419783 A1 EP 3419783A1 EP 17705085 A EP17705085 A EP 17705085A EP 3419783 A1 EP3419783 A1 EP 3419783A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
surface structure
coating
coating material
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17705085.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunhuber
Andreas Graichen
Henning Hanebuth
Heinz-Ingo Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • 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
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/067—Metallic material containing free particles of non-metal elements, e.g. carbon, silicon, boron, phosphorus or arsenic
    • 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
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the manufacture ⁇ ment of a workpiece, for example a cryogen ⁇ standing workpiece, such as a workpiece or component, which is in the hot gas path of a turbomachine, such as a gas turbine, used. Furthermore, the concerns
  • the present invention relates to a workpiece which has been produced or can be produced by the said method.
  • structures such as selective laser melting (SLM) and cladding, such as laser cladding, or LMD for laser metal deposition, are used in both manufacturing and repair
  • the SLM method allows the additive construction of complex
  • the SLM process belongs to the powder bed processes, whereby a reduction of the structure sizes or improvement of the surface roughness is due primarily to a reduction of the powder fractions down to
  • SLM process also allows build rates or deposition rates of 3 to 8 cm 3 / h.
  • the structure of a structure is defined along only one specific (build) axis.
  • these support structures need unnecessary deposition material and must also be nachträg ⁇ Lich still consuming separate from the actual desired structure and / or reworked accordingly.
  • the support structures are usually selected and angeord ⁇ net that particularly undesirable artifacts, which are caused by the additive manufacture, are avoided.
  • a subsequent exemption of superfluous, in particular pulverulent, starting material is difficult to remove from filigree spaces of the component.
  • LMD process of additive assembly along at least three axes can be carried out.
  • LMD methods can five- alternatively or eight-axle devices are used, for example, where a base or support for the to be established material and a deposition or production head or ent ⁇ speaking powder nozzle or laser device in three mutually perpendicular spatial directions are movable ,
  • the support may be movable in addition to two different axes (rotary and / or tilting axes).
  • the LMD method is usually a CAD ("computer aided design") and / or robot-assisted method, whereby 3D structures can be constructed or manufactured quasi-isotropically.
  • the LMD method allows build-up or deposition rates of 30 to 40 cm
  • Hardfacing methods are known, for example, from EP 2 756 909 A1. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for producing a workpiece or a component, in particular a method with which components can be manufactured cost and / or time-efficient and / or with improved properties.
  • One aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a workpiece, comprising providing a substrate having a predetermined surface structure.
  • the workpiece is preferably a high temperature resistant component for use in the hot gas path of a turbomachine, for example, a gas turbine for power generation.
  • the predetermined surface structure is preferably a microscopic surface structure.
  • the predetermined surface structure preferably has at least one microscopic surface structure element.
  • the top ⁇ surface structure is also predetermined, ie beispielswei- Its topography or structure is defined for a specific application.
  • the method further includes coating the surface structure with a coating material, preferably a metal, wherein the coating material for Her ⁇ detection temperature of an additive manufacturing process is stable.
  • the preparation temperature is preferably a temperature which is achieved by solidification means of the corresponding additive manufacturing process, in particular a laser ⁇ or electron beam, or to which a material is heated within a short time as soon as it is hit or impacted by said jet.
  • the substrate can be protected by the protective coating of the coating material from the action of high temperatures during the additive preparation, as described above, in particular from heat input or damage caused by the coating material or by the corresponding coating step in the production process become.
  • the method of coating the surface structure with respect to the preparation temperature of the additive manufacturing process is adjusted (or vice versa), such that the coating material for the Her ⁇ position is temperature resistant.
  • the method further comprises the additive producing a material for the workpiece or component so that the coated surface structure defined on the ⁇ be coated surface structure with additive manufacturing method, a base surface of the workpiece to be produced.
  • the structure at the preparation is preferably first constructed or istschie ⁇ the.
  • the substrate is preferably form ⁇ giving for the workpiece or the component, wherein the structure of the substrate can be transferred by the inventive method to the base of the workpiece to be produced or is mapped to it.
  • the base of the workpiece for example, have or form a negative or positive of the predetermined surface structure.
  • the surface structure preferably forms or represents the corresponding negative, and the base area forms or represents the corresponding positive.
  • the base area furthermore represents an impression of the surface structure of the substrate, defines it or comprises the aforementioned impression.
  • the workpiece according to the present disclosure may also have a surface structure (shown).
  • the method further comprises - after the additive manufacturing - the detachment of the substrate from the Be Anlagenungsmateri- al or the workpiece, for example by means of a sawurebe ⁇ treatment or other methods of the prior art.
  • a substrate material of the substrate is or is chosen such that the substrate can be subsequently removed or separated from the workpiece in a particularly simple manner by thermal or chemical means.
  • the method described may comprise further method steps, for example a temperature treatment after the additive production of the material, wherein in particular a favorable or required for the workpiece crystal structure or material phase is adjusted.
  • a temperature treatment after the additive production of the material, wherein in particular a favorable or required for the workpiece crystal structure or material phase is adjusted.
  • Kris ⁇ tallschreib can annealed in the material and / or internal stresses in the material are reduced.
  • Base area or corresponding dimensions of the internal structure make reindeer, which, for example exclusively via conventional LMD technology, ie without the invention shown SSE definition of the base can not be achieved. This is achieved in particular by the fact that the predetermined surface structure is defined by the described method as the base area for the workpiece to be produced through the coated substrate.
  • the advantages mentioned can be used especially for additive manufacturing processes, namely those in which particularly high temperatures are involved.
  • each desired 3D workpiece or component can in particular be in any desired manner, for example by means up welding on ⁇ be made with the plane defined by the coated surface structure base.
  • ⁇ sondere can be dispensed with the time-consuming production of foundry cores or components by conventional G confusetechnolo ⁇ energy thereby, thus, mung complex microscopic internal structures particularly in the Abfor- - often a months of development effort might be prevented.
  • the above-mentioned advantages of the application welding process can be exploited.
  • the additive manufacturing is by means of cladding, preferably laser cladding, in particular
  • the exposure time or Exposure time, the laser power and / or other parameters corresponding to the desired surface structure of the workpiece are in the additive producing the material for the workpiece, in particular by Laserauf ⁇ up welding set.
  • the grain orientation or grain size of the material to be built up for the workpiece can be adjusted or influenced, whereby, for example, the creep resistance of the material or the crack resistance or ductility can be optimized.
  • the above embodiment can prevent connection error errors, for example with regard to cohesion or adhesion of the materials involved.
  • the base is a with respect to a contour of the workpiece at least partially inwardly or inboard or inside angeord ⁇ designated surface.
  • the base surface is preferably within said contour.
  • the contour be ⁇ writes in this sense preferably an enveloping upper ⁇ surface of the workpiece or component.
  • providing the substrate is performed such that the surface structure to define the base surface at least one structural element before ⁇ preferably a plurality of surface structure elements, less than 100 ym having a dimension of (respectively).
  • An innovative advantage of the method described relates to an improved "resolution" of structures or features on the base, or an increased production-accuracy. Further, to dispense with complex structural support ⁇ structures.
  • microstructures such as ribs example ⁇ structures and / or turbulators for an application of the workpiece in turbine blades, with each
  • the material is a nickel- or cobalt-based superalloy or an off ⁇ gear therefor for the workpiece.
  • the material for the workpiece comprises a nickel- or cobalt-based superalloy or a starting material therefor.
  • the workpiece is a high temperature resistant component, for example a component which is used in or in connection with the hot gas path of a Strömungsma ⁇ machine, such as a gas turbine.
  • High temperature ⁇ turbestteil may mean in particular that the workpiece or component or its material is high temperature resistant, a
  • the surface structure - preferably only superficially - and before coating with the coating material, roughened or pretreated to improve adhesion of the coating material on the Oberflä ⁇ chen Vietnamese. Said roughening or pretreatment is particularly advantageous for imparting adhesion between the coating material and the surface structure. Furthermore, this treatment can be known physical or chemical means, game, in ⁇ etching or an ozone treatment by the expert done.
  • the coating material is a Me ⁇ tall and / or a ceramic-metal composite, for example a "CERMET" material.
  • the coating material and the material for the workpiece are at least partially identical. The coating material and the material for the workpiece may be completely identical. This has the particular advantage that no unwanted chemical or physical reactions between the coating material and the material for the workpiece occur.
  • the coating material and the material for the workpiece are as similar as possible with regard to the respective chemical and / or physical properties.
  • the coating of the surface structure is carried out by a thermal coating method, for example thermal spraying.
  • a thermal coating method for example thermal spraying.
  • the coating is effected by means of an isotropic coating process, in particular a procedural ⁇ ren chemical vapor deposition. Through these excluded staltung difficult to access, coated with ⁇ play as internal surfaces with the coating ⁇ material, and thus ADVANTAGES ⁇ le of the invention may be used to advantage.
  • a (separate) adhesion- promoting layer is applied to the surface structure.
  • this adhesion promoter is as thin as possible so as not to impair the resolution of the surface structures to be transferred to the workpiece.
  • the coated surface structure has a roughness of less than 60 ⁇ m, preferably less than 40 ⁇ m, particularly preferably less than 30 or 20 ⁇ m.
  • this embodiment may in particular be a FEI ne or reaches high "resolution" of the coated surface structure and thus corresponding to delicate surfaces ⁇ structures for the workpiece to be imaged.
  • the coating of the surface structure is performed uniformly or homogeneously such that a layer thickness of the coating material, preferably over the entire surface of the surface structure by less than 100 ym, preferably less than 50 ym, for example ⁇ deviates from an average value.
  • the substrate comprises a ceramic or a cast component, which forms the surface structure.
  • Example ⁇ as a workpiece, comprising the base, the manufacturing process for the workpiece, the additive producing the material for the workpiece on the comprises predetermined surface structure of the substrate and wherein the upper ⁇ surface structure - as described - defines the base.
  • the (coated) base ⁇ surface comprises an impression of the surface structure or a portion of the surface structure.
  • the described workpiece preferably has specific and / or characteristic properties according to the described production method.
  • the mate rial ⁇ or workpiece can be distinguished in terms of its structural or surface properties by the relevant methods of surfaces or structural analysis of workpieces, which have been produced by other methods, or can be prepared. Such methods are for example Transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray analysis and / or X-ray fluorescence analysis.
  • TEM Transmission electron microscopy
  • energy dispersive X-ray analysis and / or X-ray fluorescence analysis.
  • ⁇ se method the crystal structure of the corresponding material can in particular be examined, and an element analysis to be performed.
  • FIG. 1 schematically shows the sequence of a method for producing a workpiece.
  • a workpiece that has been produced by the method indicated in Figure 1.
  • Figure 1 schematically shows the workpiece of Figure 2, wherein a substrate has been peeled off.
  • Figure 1 schematically shows the flow of a method for ad ⁇ ditiven producing a workpiece or component (verglei ⁇ che reference numeral 100 in Figure 2), for example a construction ⁇ part for a turbomachine, such as a gas turbine.
  • the workpiece 100 is preferably a high temperature resistant workpiece used in conjunction with a hot air path of a gas turbine engine.
  • the workpiece preferably consists of a nickel- or cobalt-based superalloy or comprises a corresponding material.
  • the method comprises the provision of a substrate 1, which in FIG. 1 or FIG.
  • the substrate 1 comprises a predetermined surface structure 2.
  • the predetermined surface area chen Vietnamese 2 may be, for example, a rib structure and / or a turbulator structure or be defined by this.
  • the predetermined surface structure 2 is preferably a surface structure with surface structure elements 10, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the surface structural elements 10 each have a rectangular cross section (shown by way of example).
  • the surface structure elements 10, each preferably a ⁇ zelne or at least one of the heatnpatentedele ⁇ elements 10, can an outer dimension or dimension of a few or a few millimeters, for example up to 3 millimeters have.
  • the surface structure elements 10 can have a dimension or dimension in Mikrometerbe ⁇ rich, preferably less than 100 ym, more preferably less than 80 ym or even smaller (refer to a dimension below).
  • the surface structure 2 is preferably predetermined or determined for the manufacture ⁇ ment of the workpiece. In other words, the topography of the surface structure is fixed. Although not explicitly shown in the figures, the surface structure elements, or just some of them, may be different and / or have different dimensions among each other.
  • the method further includes coating the surface of structure 2 with an exposure material 9.
  • the coating material 9 is shown completely deposited on the surface of structure 2 in figure 1 already by the Invention ⁇ proper process for the preparation of the workpiece.
  • the loading coating material 9 has also been applied with a layer thickness b on the surface structure and that that the coated surface structure 2 defines a base surface 3 of the ⁇ (produced) workpiece 100 such.
  • the coating material 9 is also preferably selected in such a way and / or designed that it, at least temporarily, is stable for a manufacturing ⁇ temperature of the additive manufacturing method, with which the workpiece is manufactured (see FIG. below).
  • the Beschich ⁇ tung material 9 to be resistant and / or heat-resistant for temperatures above 1000 ° C, preferably above 1200 ° C, 1400 ° C or even higher temperatures; at least for a duration of a few seconds or minutes, in which the coating material is exposed, for example, directly with a laser or electric ⁇ nenstrahl.
  • the coating with the coating material 9 preferably takes place in the context of the method according to the invention such that the coating material 9 has been coated or deposited with a layer thickness of b on the surface structure 2 of the substrate 1, particularly preferably by means of a thermal coating method.
  • a thermal coating method in particular methods of physical vapor deposition, for example electron beam or laser beam evaporation, can preferably be used for the coating.
  • Other possible methods are thermal spraying, for example high-speed flame spraying, or cold gas spraying, an exchange coating process or a galvanic coating process.
  • the coating material 9 is a metal or a ceramic-metal composite, such as a ceramic ⁇ compound in a metal matrix such as a "CERMET" material. Accordingly come especially for the coating before Trains t ⁇ thermal coating method such as thermal spraying, is used. Alternatively, however, - preferably in the case of low-melting substrate materials, ie, structures having the surface structure, such as polymers or low melting metals "cold” are used Beschich ⁇ processing methods for coating the surface structure, although not explicitly shown in the figures, can before. the coating material 9 is supplied to the coating of the surface structure 2 with the coating material 9, an adhesion promoter can be applied for improving the adhesion of the coating material.
  • an adhesion promoter can be applied for improving the adhesion of the coating material.
  • the layer thickness of the coating material 9 is also preferably b also at vertical or oblique sections of the surface structure.
  • the coating material 9 is made of a chemically and / or physically related material such as the material from which the workpiece 100 is made.
  • the coating material 9 is furthermore made of the same material as the workpiece 100, for example a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • the method further comprises the additive production of a material 5 for the workpiece on the surface structure 2,
  • the coating material 9 and the material 5 for the workpiece 100 are preferably at least in parts, example ⁇ as main components and / or alloying constituents, identical.
  • the coating material 9 can furthermore be completely identical to the material 5.
  • the workpiece see reference numeral 100 in Figure
  • the material 5 may be synonymous with the workpiece 100.
  • the material may in particular be a starting material for the workpiece.
  • the method for producing the workpiece may include one or more heat treatments, for example for adjusting certain phase precipitates. This may be useful to phase Ausschei ⁇ applications or settings of ⁇ or ⁇ ⁇ phases of each produced material of the superalloy in particular.
  • the additive production of the workpiece is preferably carried out by build-up welding, for example Laser Grandeschwei ⁇ Shen (LMD), in particular laser powder deposition welding or electron beam welding.
  • LMD Laser Grandeschwei ⁇ Shen
  • the mentioned methods or techniques for hardfacing preferably take place by CAD and / or robotically, or can be correspondingly gesteu ⁇ ert.
  • a corresponding Lasersvillesch availability device is indicated in Figure 1 by the reference numeral 6.
  • the material 5 for producing the workpiece 100 is preferably manufactured or produced by laser powder build-up welding in accordance with the described method.
  • this is preferably the wish for the ge ⁇ (3D) structure suitable material properties produces overall accordingly.
  • process parameters such as the laser Leis ⁇ tung, the exposure or exposure time of the laser or other parameters can be adjusted according to the desired material phase.
  • a longer exposure time may be required, for example, in hard-to-reach places or edges of the work piece to be produced, than in other places.
  • an apparatus head of the surfacing Device via or using a feedback loop.
  • Figure 2 shows, inter alia, the workpiece ready prepared or component 100, which is manufactured by means of the described procedural ⁇ proceedings or can be prepared.
  • the workpiece 100 is over, the coating material 9 and optionally a bonding material integral with the substrate 1 ver ⁇ prevented.
  • the base surface 3 of the coating material 9 represents or comprises an impression of the coated surface structure 2.
  • the base surface of the coating material 9, but preferably also the herzu- alternate workpiece 100 defines mapped or to ⁇ formed to transfer the surface structure of the workpiece, and thus a -
  • by the method described - by defining the surface structure on the substrate very high resolution and dynamics ⁇ or roskopisch structured surface area of the workpiece to erzeu ⁇ gen.
  • the workpiece 100 in FIG. 2 has a contour 4, which encloses or envelopes the workpiece 100 including its surface structure elements.
  • the contour 4 is shown by the dashed line in Figure 2 and in connection with the ma- material 5 in Figure 1.
  • the base 3 with respect to the contour 4 of the workpiece to be produced 100 an at least partially inside surface of the work ⁇ tee 100.
  • the dimension preferably relates to a width (compare horizontal direction in FIGS. 1 and 2) of the respective surface structure elements 10, but may also refer to a corresponding one
  • the width can accordingly indicate a direction along the contour.
  • the substrate 1 is a ceramic or a cast component or comprises, for example, a ceramic at least on the surface ⁇ structure 2.
  • the substrate 1 can be prepared or provided for example by investment casting with the aid of ceramic casting cores.
  • the Oberflä ⁇ chentechnik 2 is or is formed by a ceramic cast core.
  • the casting core consisting for example of alumina, ⁇ example, Al 2 O 3, or silicon dioxide (Si0 2) or comprises one of these materials. In other words, the provisioning may be performed according to the described method.
  • the casting core preferably has a very fine powder grain on the outside, in order to be able to "dissolve” a fine, for example microscopically small, surface structure, As the distance from the surface structure increases, the material of the substrate (the casting core) can become increasingly porous or coarse include grit or grading to have a sufficient (thermal) shock resistance simultaneously.
  • a Derar ⁇ tig graded component preferably has a particularly small and technologically desired surface roughness of only 50 ym or less, for example 30 ym on. When the term "roughness" may be a medium Rau ⁇ uniform, a square roughness or roughness han ⁇ spindles.
  • the substrate comprises at least on the surface structure or a surface structure 2, a refractory metal such as tantalum, zirconium, molybdenum or tungsten or other high melting, beispielswei ⁇ se non-noble metal of the fourth, fifth or the sixth Ne group of the periodic table.
  • the surface structure is preferably made by electron beam melting.
  • the method further includes detaching the substrate 1 from the workpiece 100 after the additive manufacturing thereof (see Fig. 3). The detachment of the substrate 1 can be carried out selectively for all ⁇ be described embodiments by thermal or chemical means. For example, regardless of whether the substrate or the surface structure is metallic or ceramic, the workpiece 100 may be chemically peeled off.
  • FIG. 3 schematically indicates that the substrate 1 has been removed after the additive or additive production of the workpiece 100, for example by a chemical or thermal detachment.
  • the substrate can be peeled from the workpiece 100 is also characterized in that the coating material 9 from the substrate 1 by geeigne ⁇ te means (selective thermal and / or chemical detachment) is disconnected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend das Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer vorbestimmten Oberflächenstruktur (2), das Beschichten der Oberflächenstruktur (2) mit einem Beschichtungsmaterial (9), wobei das Beschichtungsmaterial (9) für eine Herstellungstemperatur eines additiven Herstellungsverfahrens beständig ist, das additive Herstellen eines Materials (5) für das Werkstück auf der beschichteten Oberflächenstruktur (2, 9) mit dem additiven Herstellungsverfahren, so dass die beschichtete Oberflächenstruktur (2, 9) eine Grundfläche (3) des herzustellenden Werkstücks definiert und das Ablösen des Substrats (1). Weiterhin ist ein Werkstück (1) beschrieben, welches mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt oder herstellbar ist.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES WERKSTÜCKS DURCH BESCHICHTEN UND ADDITIVES HERSTELLEN
ENTSPRECHENDES WERKSTÜCK
5 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines Werkstücks, beispielsweise eines hochtemperaturbe¬ ständigen Werkstücks, wie einem Werkstück oder Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine, eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die
10 vorliegende Erfindung ein Werkstück, welches mit dem genannten Verfahren hergestellt wurde oder herstellbar ist.
Additive oder generative Herstellungsverfahren (englisch „rapid prototyping" ) zur Herstellung von dreidimensionalen (3D-)
15 Strukturen, wie beispielsweise selektivem Laserschmelzen (SLM englisch für „selective laser melting") und Auftragschweißen, beispielsweise Laserauftragschweißen (im Englischen „laser cladding", oder LMD für „laser metal deposition") werden beispielsweise bei der Herstellung als auch bei der Reparatur
20 von heißgasbeaufschlagten oder hochtemperaturbelasteten Teilen von Gasturbinen eingesetzt.
Das SLM-Verfahren erlaubt den additiven Aufbau komplexer
Formkörper oder Werkstücke mit relativ feiner Innenstruktur,
25 beispielsweise mit Feinheiten oder Strukturgrößen zwischen 80 ym und 100 ym oder weniger. Das SLM-Verfahren gehört zu den Pulverbettverfahren, wobei eine Verkleinerung der Strukturgrößen oder Verbesserung der Oberflächenrauheit in erster Linie durch eine Verkleinerung der Pulverfraktionen bis herab
30 zu einer mittleren Pulverkorngröße von ca. 20 bis 40 ym er¬ reicht werden kann. Noch kleinere Pulverkörner sind in der
Regel nicht mehr förderbar und/oder anwendbar. Eine erreichbare Oberflächenrauheit von mittels SLM-Verfahren hergestell¬ ten Oberflächen liegt etwa zwischen 60 ym und 100 ym. Das
35 SLM-Verfahren erlaubt weiterhin Aufbauraten oder Abschei- dungsraten von 3 bis 8 cm3/h. Beim SLM-Verfahren ist der Aufbau einer Struktur entlang lediglich einer bestimmten (Aufbau-) Achse definiert. Deshalb muss beim Aufbau von innenliegenden oder hohlen Strukturen auf Stützstrukturen zurückgegriffen werden, welche beispielsweise überhängende Abschnitte der Strukturen während der Her¬ stellung abstützen und gegebenenfalls eine entsprechende Wär¬ meabfuhr ermöglichen. Diese Stützstrukturen benötigen jedoch unnötiges Abscheidungsmaterial und müssen überdies nachträg¬ lich noch aufwendig von der eigentlich gewünschten Struktur getrennt und/oder entsprechend nachbearbeitet werden. Die Stützstrukturen werden üblicherweise so gewählt und angeord¬ net, dass besonders unerwünschte Artefakte, welche durch die additive Herstellung hervorgerufen werden, vermieden werden. Als weiterer Nachteil beim SLM-Verfahren kann eine nachträgliche Befreiung von überflüssigem, insbesondere pulverförmi- gem, Ausgangsmaterial nur schwer aus filigranen Räumen des Bauteils entfernt werden.
Im Gegensatz zum SLM-Verfahren kann beim LMD-Prozess der additive Aufbau entlang von mindestens drei Achsen (beispiels¬ weise drei zueinander senkrechten Raumrichtungen) erfolgen. Beim LMD-Verfahren können alternativ fünf- bzw. achtachsige Vorrichtungen zum Einsatz kommen, bei denen beispielsweise eine Basis oder Unterlage für das aufzubauende Material als auch ein Abscheidungs- oder Herstellungskopf oder die ent¬ sprechende Pulverdüse bzw. Laservorrichtung in drei aufeinander senkrechten Raumrichtungen beweglich sind. Für eine achtachsige Vorrichtung, also mit acht geometrischen Freiheits¬ graden, kann die Unterlage zusätzlich um zwei verschiedene Achsen (Rotations- und/oder Kippachsen) beweglich sein.
Das LMD-Verfahren ist für gewöhnlich ein CAD- („Computer aided design") und/oder roboterunterstütztes Verfahren, wobei 3D-Strukturen quasi isotrop aufgebaut oder hergestellt werden können. Das LMD-Verfahren erlaubt Aufbau oder Abscheidungsra- ten von 30 bis 40 cm3/h. Ein Nachteil des LMD-Verfahrens be¬ trifft die Schwierigkeit, Innenstrukturen oder innenliegende Strukturen oder Geometrien mit Strukturgrößen oder Struktur- abmessungen von weniger als 150 ym herzustellen, wodurch der additiven Fertigung diesbezüglich Grenzen gesetzt sind.
Insbesondere bei der Herstellung von Komponenten für Strö- mungsmaschinen, beispielsweise Gasturbinen, können Innenstrukturen mit Strukturgrößen von teilweise deutlich unterhalb von 100 ym oder 150 ym für eine Vielzahl von möglichen Komponenten für verschiedene Anwendungen erwünscht oder erforderlich sein. Solche Strukturen sind heute lediglich mit- tels zeit- und kostenaufwendiger Gießtechnologie herstellbar.
Auftragschweiß-Verfahren sind beispielsweise bekannt aus EP 2 756 909 AI. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks oder eines Bauteils anzugeben, insbesondere ein Verfahren, mit welchem Bauteile kosten- und/oder zeiteffizienter und/oder mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge¬ genstand der abhängigen Patentansprüche. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend das Bereitstellen eines Substrats mit einer vorbestimmten Oberflächenstruktur.
Das Werkstück ist vorzugsweise ein hochtemperaturbeständiges Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine zur Energieerzeugung.
Die vorbestimmte Oberflächenstruktur ist vorzugsweise eine mikroskopische Oberflächenstruktur. Mit anderen Worten weist die vorbestimmte Oberflächenstruktur vorzugsweise mindestens ein mikroskopisches Oberflächenstrukturelement auf. Die Ober¬ flächenstruktur ist weiterhin vorbestimmt, d.h. beispielswei- se bezüglich seiner Topographie oder Struktur für eine spezifische Anwendung festgelegt.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Beschichten der Oberflä- chenstruktur mit einem Beschichtungsmaterial, vorzugsweise einem Metall, wobei das Beschichtungsmaterial für eine Her¬ stellungstemperatur eines additiven Herstellungsverfahrens beständig ist. Die Herstellungstemperatur ist vorzugsweise eine Temperatur, welche von einer Verfestigungseinrichtung des entsprechenden additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere einem Laser¬ oder Elektronenstrahl, erreicht wird oder, auf welche ein Material innerhalb kürzester Zeit erwärmt wird, sobald sie von dem genannten Strahl getroffen oder beaufschlagt wird.
Durch das Beschichtungsmaterial bzw. durch den entsprechenden Beschichtungsschritt im Rahmen des Herstellungsverfahrens kann insbesondere das Substrat durch die schützende Beschich- tung des Beschichtungsmaterials vor der Einwirkung von hohen Temperaturen während der additiven Herstellung, wie oben beschrieben, insbesondere vor einem Wärmeeintrag oder dadurch bedingten Schaden, geschützt werden. In einer Ausgestaltung ist das Verfahren zur Beschichtung der Oberflächenstruktur bezüglich der Herstellungstemperatur an das additive Herstellungsverfahren angepasst (oder umgekehrt) , derart, dass das Beschichtungsmaterial für die Her¬ stellungstemperatur beständig ist.
Das Verfahren umfasst weiterhin das additive Herstellen eines Materials für das Werkstück oder das Bauteil auf der be¬ schichteten Oberflächenstruktur mit dem additiven Herstellungsverfahren, so dass die beschichtete Oberflächenstruktur eine Grundfläche des herzustellenden Werkstücks definiert.
Bei der Grundfläche handelt es sich vorzugsweise um die Ober¬ fläche einer Unterseite des Werkstücks, deren Struktur bei der Herstellung vorzugsweise zuerst aufgebaut oder abgeschie¬ den wird. In diesem Sinne ist das Substrat vorzugsweise form¬ gebend für das Werkstück oder das Bauteil, wobei die Struktur des Substrats durch das erfindungsgemäße Verfahren auf die Grundfläche des herzustellenden Werkstücks übertragen werden kann oder darauf abgebildet wird. In diesem Sinne kann die Grundfläche des Werkstücks beispielsweise ein Negativ oder Positiv der vorbestimmten Oberflächenstruktur aufweisen oder bilden. Vorzugsweise bildet die Oberflächenstruktur das ent- sprechende Negativ oder stellt dieses dar und die Grundfläche bildet das entsprechende Positiv oder stellt dieses dar. Mit anderen Worten stellt die Grundfläche weiterhin einen Abdruck der Oberflächenstruktur des Substrats dar, definiert diesen oder umfasst den genannten Abdruck. In diesem Zusammenhang kann das Werkstück gemäß der vorliegenden Offenbarung ebenfalls eine (abgebildete) Oberflächenstruktur aufweisen.
Das Verfahren umfasst weiterhin - nach dem additiven Herstellen - das Ablösen des Substrates von dem Beschichtungsmateri- al bzw. dem Werkstück, beispielsweise mittels einer Säurebe¬ handlung oder weiteren Methoden des Standes der Technik.
In einer Ausgestaltung ist oder wird ein Substratmaterial des Substrats derart gewählt, dass das Substrat nachträglich durch thermische oder chemische Mittel auf besonders einfache Weise von dem Werkstück abgelöst oder getrennt werden kann.
Das beschriebene Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, beispielsweise eine Temperaturbehandlung nach dem additiven Herstellen des Materials, wobei insbesondere eine für das Werkstück günstige oder erforderliche Kristallstruktur oder Materialphase eingestellt wird. Dabei können Kris¬ tallfehler im Material ausgeheilt und/oder innere Spannungen im Material reduziert werden.
Als Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung, Innenstrukturen auf der
Grundfläche oder entsprechende Abmessungen der Innenstruktu- ren herzustellen, welche beispielsweise ausschließlich über konventionelle LMD-Technologie, d.h. ohne die erfindungsgemä¬ ße Definition der Grundfläche, nicht erreicht werden können. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die vorbestimm- te Oberflächenstruktur durch das beschriebene Verfahren die Grundfläche für das durch das herzustellende Werkstück über das beschichtete Substrat definiert.
Durch die Beschichtung der Oberflächenstruktur mit dem Be- schichtungsmaterial können die erwähnten Vorteile speziell für additive Herstellungsverfahren genutzt werden, nämlich solche, in denen besonders hohe Temperaturen beteiligt sind.
Nach dem Bereitstellen des Substrates mit der vorbestimmten Oberflächenstruktur kann insbesondere in beliebiger Weise jedes gewünschte 3D-Werkstück oder Bauteil, z.B. mittels Auf¬ tragschweißen, mit der durch die beschichtete Oberflächenstruktur definierten Grundfläche hergestellt werden. Insbe¬ sondere kann dabei auf die zeitaufwendige Herstellung von Gusskernen oder -bauteilen durch konventionelle Gießtechnolo¬ gie verzichtet werden, wodurch, insbesondere bei der Abfor- mung komplexer, mikroskopischer Innenstrukturen - oftmals ein monatelanger Entwicklungsaufwand verhindert werden kann. Im Gegenzug können die oben genannten Vorteile der Auftrag- schweiß-Verfahren ausgenutzt werden.
Das additive Herstellen wird mittels Auftragschweißen, vorzugsweise Laserauftragschweißen, insbesondere
Laserpulverauftragschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, durchgeführt.
In einer Ausgestaltung werden bei dem additiven Herstellen des Materials für das Werkstück, insbesondere durch Laserauf¬ tragschweißen, die Belichtungszeit beziehungsweise Expositi- onszeit, die Laserleistung und/oder weitere Parameter entsprechend der gewünschten Oberflächenstruktur des Werkstücks eingestellt. Dabei kann beispielsweise die Kornorientierung oder Korngröße des aufzubauenden Materials für das Werkstück eingestellt oder beeinflusst werden, wodurch beispielsweise die Kriechfestigkeit des Materials oder die Rissbeständigkeit oder Duktilität optimiert werden können. Alternativ oder zusätzlich kann durch die genannte Ausgestaltung Anbindungsfeh- lernfehlern, beispielsweise bezüglich einer Kohäsion oder Adhäsion der beteiligten Materialien, vorgebeugt werden.
In einer Ausgestaltung ist die Grundfläche eine bezüglich einer Kontur des herzustellenden Werkstücks zumindest teilweise nach innen gerichtete oder innenliegende bzw. innen angeord¬ nete Oberfläche. Mit anderen Worten liegt die Grundfläche vorzugsweise innerhalb der genannten Kontur. Die Kontur be¬ schreibt in diesem Sinne vorzugsweise eine einhüllende Ober¬ fläche des Werkstücks oder Bauteils.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen des Substrates derart, dass die Oberflächenstruktur zur Definition der Grundfläche mindestens ein Oberflächenstrukturelement, vor¬ zugsweise eine Vielzahl von Oberflächenstrukturelementen, mit einer Abmessung von (jeweils) weniger als 100 ym aufweist.
Ein erfinderischer Vorteil des beschriebenen Verfahrens betrifft eine verbesserte „Auflösung" von Strukturen oder Merkmalen auf der Grundfläche, beziehungsweise eine erhöhte Fer- tigungsgenauigkeit . Weiterhin kann auf aufwendige Stützstruk¬ turen verzichtet werden.
Es ist insbesondere möglich, Mikrostrukturen, wie beispiels¬ weise Rippenstrukturen und/oder Turbulatoren für eine Anwen- dung des Werkstücks in Turbinenschaufeln, mit einzelnen
Strukturgrößen von wenigen Millimetern oder sogar bis hin zu Größen von weniger als 100 ym beispielsweise auf der Innenseite von schwer zugänglichen Komponenten oder Werkstücken herzustellen, die weder mit Pulverbettverfahren, beispiels- weise SLM-Technologie, noch mit Frästechnologie - mangels Zu¬ gänglichkeit des Fräswerkzeug auf der genannten Innenseite durch die Größe der Fräsköpfe - erreicht werden können. In einer Ausgestaltung ist das Material für das Werkstück eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung oder ein Aus¬ gangsstoff dafür. In einer Ausgestaltung umfasst das Material für das Werkstück eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung oder einen Ausgangsstoff dafür.
Diese Ausgestaltungen sind insbesondere für den Einsatz des Werkstücks oder Bauteils im Bereich von Strömungsmaschinen zweckmäßig .
In einer Ausgestaltung ist das Werkstück ein hochtemperaturbeständiges Bauteil, beispielsweise ein Bauteil, welches in oder im Zusammenhang mit dem Heißgaspfad einer Strömungsma¬ schine, wie einer Gasturbine, eingesetzt wird. Hochtempera¬ turbeständig kann insbesondere bedeuten, dass das Werkstück oder Bauteil bzw. sein Material hochwarmfest ist, einen
Schmelzpunkt von über 1000 °C, vorzugsweise 1200 °C, aufweist und/oder beispielsweise Einsatztemperaturen von 80 %, 90 % oder mehr des Schmelzpunktes des entsprechenden Materials er¬ reicht .
In einer Ausgestaltung wird die Oberflächenstruktur - vor- zugsweise lediglich oberflächlich - und vor dem Beschichten mit dem Beschichtungsmaterial, aufgeraut oder vorbehandelt, um eine Haftung des Beschichtungsmaterials auf der Oberflä¬ chenstruktur zu verbessern. Die genannte Aufrauung oder Vorbehandlung ist insbesondere für die Vermittlung einer Haftung zwischen dem Beschichtungsmaterial und der Oberflächenstruktur vorteilhaft. Weiterhin kann diese Behandlung durch dem Fachmann bekannte physikalische oder chemische Mittel, bei¬ spielsweise Ätzen oder eine Ozonbehandlung, erfolgen. In einer Ausgestaltung ist das Beschichtungsmaterial ein Me¬ tall und/oder ein Keramik-Metall-Verbundstoff, beispielsweise ein „CERMET"-Material . In einer Ausgestaltung sind das Beschichtungsmaterial und das Material für das Werkstück zumindest in Bestandteilen identisch. Das Beschichtungsmaterial und das Material für das Werkstück können vollständig identisch sein. Dies hat insbe- sondere den Vorteil, dass keine unerwünschten chemischen oder physikalischen Reaktionen zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Material für das Werkstück auftreten.
In einer Ausgestaltung sind das Beschichtungsmaterial und das Material für das Werkstück hinsichtlich der jeweiligen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften möglichst ähnlich.
Das Beschichten der Oberflächenstruktur erfolgt durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, beispielsweise thermisches Spritzen. Der Vorteil dieser Verfahren liegt darin, dass üblicherweise eine gute Homogenität der abzuscheidenden Schicht als auch eine vorteilhaft kleine Porosität und/oder eine gute Anbindung an der Oberflächenstruktur erreicht wer- den können.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Beschichten mittels eines isotropen Beschichtungsverfahrens , insbesondere einem Verfah¬ ren zur chemischen Gasphasenabscheidung . Durch diese Ausge- staltung können mit Vorteil auch schwer zugängliche, bei¬ spielsweise innenliegende Oberflächen, mit dem Beschichtungs¬ material beschichtet, und damit die erfindungsgemäßen Vortei¬ le genutzt werden. In einer Ausgestaltung wird nach dem Bereitstellen des Substrats, und vorzugsweise vor dem Beschichten der Oberflächenstruktur mit dem Beschichtungsmaterial, eine (separate) Haft¬ vermittlungsschicht auf der Oberflächenstruktur aufgebracht. Vorzugsweise ist dieser Haftvermittler möglichst dünn, um die Auflösung der auf das Werkstück zu übertragenden Oberflächenstrukturen nicht zu verschlechtern. In einer Ausgestaltung weist die beschichtete Oberflächenstruktur eine Rauheit von weniger als 60 ym auf, vorzugsweise weniger als 40 ym, besonders bevorzugt weniger als 30 oder 20 ym auf. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine fei- ne oder hohe „Auflösung" der beschichteten Oberflächenstruktur erreicht und damit entsprechend filigrane Oberflächen¬ strukturen für das Werkstück abgebildet werden.
In einer Ausgestaltung wird das Beschichten der Oberflächenstruktur derart gleichmäßig oder homogen durchgeführt, dass eine Schichtdicke des Beschichtungsmaterials , vorzugsweise über die gesamte Fläche der Oberflächenstruktur hinweg um weniger als 100 ym, vorzugsweise weniger als 50 ym, beispiels¬ weise von einem Mittelwert, abweicht.
In einer Ausgestaltung umfasst das Substrat eine Keramik oder ein Gussbauteil, welches die Oberflächenstruktur bildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Werkstück oder Bauteil, welches nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurde oder herstellbar ist, beispiels¬ weise ein Werkstück, umfassend die Grundfläche, wobei das Herstellungsverfahren für das Werkstück das additive Herstellen des Materials für das Werkstück auf der vorbestimmten Oberflächenstruktur des Substrats umfasst und wobei die Ober¬ flächenstruktur - wie beschrieben - die Grundfläche definiert. Mit anderen Worten umfasst die (beschichtete) Grund¬ fläche einen Abdruck der Oberflächenstruktur oder einen Teil der Oberflächenstruktur.
Das beschriebene Werkstück weist gemäß dem beschriebenen Herstellungsverfahren vorzugsweise spezifische und oder charakteristische Eigenschaften auf. Beispielsweise kann das Mate¬ rial oder Werkstück hinsichtlich seiner Struktur- oder Ober- flächeneigenschaften durch einschlägige Verfahren der Oberflächen oder Strukturanalyse von Werkstücken, welche mittels anderer Verfahren hergestellt wurden oder herstellbar sind, unterschieden werden. Solche Verfahren sind beispielsweise Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) , energiedispersive Röntgenanalyse und/oder Röntgenfluoreszenzanalyse . Durch die¬ se Verfahren kann insbesondere die Kristallstruktur des entsprechenden Materials untersucht, und eine Elementanalyse durchgeführt werden.
Merkmale, die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, können sich ebenfalls auf das Werkstück beziehen, und umgekehrt .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 bedeutet schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks an. zeigt schematisch ein Werkstück, das mittels des in Figur 1 angedeuteten Verfahrens hergestellt wurde. zeigt schematisch das Werkstück aus Figur 2, wobei ein Substrat abgelöst wurde. Figur 1 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur ad¬ ditiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils (verglei¬ che Bezugszeichen 100 in Figur 2), beispielsweise eines Bau¬ teils für eine Strömungsmaschine, wie eine Gasturbine. Bei dem Werkstück 100 handelt sich vorzugsweise um ein im Zusam- menhang mit einem Heißluftpfad einer Gasturbine angewendeten, hochtemperaturbeständigen Werkstück. Das Werkstück besteht vorzugsweise aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superle- gierung oder umfasst ein entsprechendes Material.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats 1, welches in Figur 1 bzw. Figur 2 in einer Seiten- oder
Schnittansicht angedeutet ist. Das Substrat 1 umfasst eine vorbestimmte Oberflächenstruktur 2. Die vorbestimmte Oberflä chenstruktur 2 kann beispielsweise eine Rippenstruktur und/oder eine Turbulatorstruktur sein oder durch diese definiert sein. Bei der vorbestimmten Oberflächenstruktur 2 handelt es sich vorzugsweise um eine Oberflächenstruktur mit Oberflächenstrukturelementen 10, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Die Oberflächenstrukturelementen 10 haben (beispielhaft gezeigt) jeweils einen rechteckigen Querschnitt.
Die Oberflächenstrukturelemente 10, vorzugsweise jedes ein¬ zelne oder mindestens eines von den Oberflächenstrukturele¬ menten 10, können eine äußere Abmessung oder Dimension von einigen oder wenigen Millimetern, beispielsweise bis zu 3 Millimetern, haben. Alternativ können die Oberflächenstrukturelemente 10 eine Abmessung oder Dimension im Mikrometerbe¬ reich, vorzugsweise kleiner als 100 ym, besonders bevorzugt kleiner als 80 ym oder noch kleiner (vergleiche Abmessung a weiter unten) .
Die Oberflächenstruktur 2 ist vorzugsweise für die Herstel¬ lung des Werkstücks vorbestimmt oder festgelegt. Mit anderen Worten ist die Topografie der Oberflächenstruktur festgelegt. Obwohl dies nicht explizit in den Figuren dargestellt ist, können die Oberflächenstrukturelemente oder auch nur einige von ihnen unterschiedlich sein und/oder untereinander unterschiedliche Abmessungen haben. Das Verfahren umfasst weiterhin das Beschichten der Oberflächenstruktur 2 mit einem Belichtungsmaterial 9. Das Beschich- tungsmaterial 9 ist in Figur 1 bereits durch das erfindungs¬ gemäße Verfahren zur Herstellung des Werkstücks vollständig auf der Oberflächenstruktur 2 abgeschieden gezeigt. Das Be- schichtungsmaterial 9 ist weiterhin mit einer Schichtdicke b auf der Oberflächenstruktur aufgebracht worden und zwar derart, dass die beschichtete Oberflächenstruktur 2 eine Grund¬ fläche 3 des (herzustellenden) Werkstücks 100 definiert. Dies ist in Figur 1 dadurch angedeutet, dass die Oberflächenstruktur 2 ein Negativ und die Grundfläche 3 bzw. deren Oberflä¬ chenstruktur (nicht explizit gekennzeichnet) ein entsprechen¬ des Positiv bildet. Mit anderen Worten ist die (mit dem Be- schichtungsmaterial beschichtete) Oberflächenstruktur 2 des Substrates 1 formgebend für die Grundfläche des Werkstücks 100. Das fertige Werkstück (vergleiche Figuren 2 und 3) wei¬ sen demgemäß die Grundfläche 3 auf.
Das Beschichtungsmaterial 9 ist weiterhin vorzugsweise derart gewählt und/oder ausgebildet, dass es für eine Herstellungs¬ temperatur des additiven Herstellungsverfahrens, mit welchem das Werkstück hergestellt wird (vgl. weiter unten), zumindest kurzzeitig, beständig ist. Insbesondere ist das Beschich¬ tungsmaterial 9 beständig und/oder warmfest für Temperaturen oberhalb von 1000 °C, bevorzugt oberhalb von 1200 °C, 1400 °C oder noch höheren Temperaturen sein; zumindest für eine Dauer von einigen Sekunden oder Minuten, in der das Beschichtungsmaterial beispielsweise direkt mit einem Laser- oder Elektro¬ nenstrahl exponiert wird.
Die Beschichtung mit dem Beschichtungsmaterial 9 erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise derart, dass das Beschichtungsmaterial 9 mit einer Schichtdicke von b auf der Oberflächenstruktur 2 des Substrats 1 beschichtet oder abgeschieden wurde, besonders bevorzugt mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens . Bevorzugt können weitere Verfahren, insbesondere Verfahren der physikalischen Gaspha- senabscheidung, zum Beispiel Elektronen- oder Laserstrahlver- dampfen, für die Beschichtung genutzt werden. Weitere möglich Verfahren sind das thermisches Spritzen, zum Beispiel Hochge- schwindigkeits-Flammenspritzen, oder aber Kaltgasspritzen, ein Tauschbeschichtungsverfahren oder ein galvanisches Beschichtungsverfahren .
Bevorzugt ist das Beschichtungsmaterial 9 ein Metall oder ein Keramik-Metall-Verbundstoff, beispielsweise eine Keramik¬ verbindung in einer Metallmatrix, wie ein „CERMET"-Material . Dementsprechend kommen für die Beschichtung besonders bevor¬ zugt thermische Beschichtungsverfahren, wie das thermische Spritzen, zum Einsatz. Alternativ können jedoch - vorzugsweise im Falle von niederschmelzenden Substratmaterialien, d.h. Strukturen, welche die Oberflächenstruktur aufweisen, wie Polymere oder niederschmelzende Metalle „kalte" Beschich¬ tungsverfahren für die Beschichtung der Oberflächenstruktur verwendet werden. Obwohl dies in den Figuren nicht explizit dargestellt ist, kann vor dem Beschichten der Oberflächenstruktur 2 mit dem Beschichtungsmaterial 9 ein Haftvermittler zum Verbessern der Haftung des Beschichtungsmaterials 9 angewendet werden. Besonders bevorzugt wird das Beschichtungsmaterial 9 weiter¬ hin derart aufgebracht, dass es möglichst, vorzugsweise voll¬ ständig gleichmäßig und/oder homogen, auf der Oberflächenstruktur 2 angeordnet ist. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke des Beschichtungsmaterials 9 ebenfalls an verti- kalen oder schrägen Abschnitten der Oberflächenstruktur ebenfalls b.
Bevorzugt ist das Beschichtungsmaterial 9 aus einem chemisch und/oder physikalisch verwandten Material wie das Material, aus dem das Werkstück 100 hergestellt wird.
Besonders bevorzugt ist das Beschichtungsmaterial 9 weiterhin aus demselben Material wie das Werkstück 100, beispielsweise einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung .
Das Verfahren umfasst weiterhin das additive Herstellen eines Materials 5 für das Werkstück auf der Oberflächenstruktur 2,
Das Beschichtungsmaterial 9 und das Material 5 für das Werk- stück 100 sind vorzugsweise zumindest in Teilen, beispiels¬ weise Hauptbestandteilen und/oder Legierungsbestandteilen, identisch. Das Beschichtungsmaterial 9 kann weiterhin komplett identisch zu dem Material 5 sein. In Figur 1 ist das Werkstück (vergleiche Bezugszeichen 100 in Figur) noch nicht fertig hergestellt. Im Folgenden kann daher das Material 5 synonym mit dem Werkstück 100 bezeichnet sein. Das Material kann insbesondere ein Ausgangsmaterial für das Werkstück sein.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung des Werkstücks eine oder mehrere Wärmebehandlungen, beispielsweise zur Ein- Stellung von bestimmten Phasenausscheidungen umfassen. Dabei kann es sich insbesondere um zweckmäßige Phasen-Ausschei¬ dungen oder Einstellungen der γ oder γλ -Phasen des jeweiligen herzustellenden Materials der Superlegierung handeln. Das additive Herstellen des Werkstücks erfolgt vorzugsweise mittels Auftragschweißen, beispielsweise Laserauftragschwei¬ ßen (LMD) , insbesondere Laserpulverauftragschweißen oder Elektronenstrahlschweißen . Die genannten Verfahren oder Techniken zum Auftragschweißen laufen vorzugsweise durch CAD- und/oder robotergestützt ab oder können entsprechend gesteu¬ ert werden. Eine entsprechende Laserauftragschweiß-Vorrichtung ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 6 angedeutet.
Das Material 5 zur Herstellung des Werkstücks 100 wird gemäß dem beschriebenen Verfahren vorzugsweise durch Laserpulverauftragschweißen gefertigt oder hergestellt. Dabei wird im Rahmen des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Werkstücks, dieses vorzugsweise entsprechend den für die ge¬ wünschte ( 3D- ) Struktur zweckmäßigen Materialeigenschaften ge- fertigt. Dabei können Prozessparameter, wie die Laserleis¬ tung, die Belichtungs- oder Expositionszeit des Lasers oder weitere Parameter entsprechend der gewünschten Materialphase eingestellt werden. Weiterhin kann beispielsweise an schwer zugänglichen Stellen oder Kanten des herzustellenden Werk- Stücks eine längere Belichtungszeit erforderlich sein, als an anderen Stellen. Auch kann bei einer „Abrasterung" während des Materialaufbaus ein Apparaturkopf der Auftragschweiß- Vorrichtung über oder mithilfe einer Rückkoppelungsschleife geführt werden.
Figur 2 zeigt unter anderem das fertig hergestellte Werkstück oder Bauteil 100, welches mittels des beschriebenen Verfah¬ rens hergestellt oder herstellbar ist. Das Werkstück 100 ist über das Beschichtungsmaterial 9 und optional über einen Haftvermittlungsmaterial einstückig mit dem Substrat 1 ver¬ bunden. Dementsprechend stellt die Grundfläche 3 des Be- schichtungsmaterials 9 einen Abdruck der beschichteten Oberflächenstruktur 2 dar oder umfasst diesen. Vorteilhafterweise wird durch das beschriebene Verfahren - durch die Vorgabe der Oberflächenstruktur auf dem Substrat - die Grundfläche des Beschichtungsmaterials 9, aber vorzugsweise auch des herzu- stellenden Werkstücks 100 definiert, abgebildet oder abge¬ formt, um die Oberflächenstruktur auf das Werkstück zu übertragen und somit eine besonders hochauflösende und oder mik¬ roskopisch strukturierte Grundfläche des Werkstücks zu erzeu¬ gen .
Das Werkstück 100 in Figur 2 weist eine Kontur 4 auf, welche das Werkstück 100 einschließlich dessen Oberflächenstrukturelemente umschließt oder einhüllt. Die Kontur 4 ist durch die gestrichelte Linie in Figur 2 und im Zusammenhang mit dem Ma- terial 5 auch in Figur 1 dargestellt. Die Grundfläche 3 ist bezüglich der Kontur 4 des herzustellenden Werkstücks 100 eine zumindest teilweise innen liegende Oberfläche des Werk¬ stücks 100. Die in Figur 1 und 2 gezeigten Oberflächenstrukturelemente 10 oder zumindest eines von ihnen haben beispielsweise eine Ab¬ messung a von weniger als 100 ym. Die Abmessung bezieht sich vorzugsweise auf eine Breite (vergleiche horizontale Richtung in den Figuren 1 und 2) der jeweiligen Oberflächenstruktur- elemente 10, kann sich jedoch auch auf eine entsprechende
Tiefe oder Höhe beziehen. Die Breite kann demgemäß eine Rich¬ tung entlang der Kontur bezeichnen. Je kleiner also die Breite oder Abmessung a der Oberflächenstrukturelemente 10 des Substrats 1, desto kleiner, feiner oder filigraner kann auch die Grundfläche 3 des Werkstücks strukturiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 1 eine Keramik oder ein Gussbauteil oder umfasst beispielsweise eine Keramik zumindest an der Oberflächen¬ struktur 2. Das Substrat 1 kann beispielsweise durch Feinguss unter Zuhilfenahme von keramischen Gusskernen her- oder bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist oder wird die Oberflä¬ chenstruktur 2 durch einen keramischen Gusskern gebildet. Der Gusskern besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid, beispiels¬ weise AI2O3, oder Siliziumdioxid (Si02) oder umfasst eines dieser Materialien. Mit anderen Worten kann das Bereitstellen gemäß dem beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.
Weiterhin weist der Gusskern vorzugsweise auf der Außenseite eine sehr feine Pulverkörnung auf, um zweckmäßigerweise eine feine, beispielsweise mikroskopisch kleine Oberflächenstrukturen „auflösen" zu können. Mit zunehmendem Abstand von der Oberflächenstruktur kann das Material des Substrats (des Gusskerns) eine immer poröser oder gröber werdende Körnung oder Gradierung umfassen, um gleichzeitig noch eine ausrei- chende (thermische) Schockbeständigkeit zu haben. Ein derar¬ tig gradiertes Bauteil weist vorzugsweise eine besonders kleine und technologisch erwünschte Oberflächenrauheit von lediglich 50 ym oder weniger, beispielsweise 30 ym, auf. Bei dem Begriff „Rauheit" kann es sich um eine mittlere Rau¬ heit, eine quadratische Rauheit oder einen Mittenrauwert han¬ deln .
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Substrat zumindest an der Oberflächenstruktur oder als Oberflächenstruktur 2 ein Refraktärmetall , beispielsweise Tantal, Zirkonium, Molybdän oder Wolfram oder ein anderes hochschmelzendes, beispielswei¬ se unedles, Metall der vierten, fünften oder der sechsten Ne- bengruppe des Periodensystems. Gemäß dieser Ausgestaltung wird oder ist die Oberflächenstruktur vorzugsweise durch Elektronenstrahlschmelzen hergestellt . Obwohl dies in den Figuren nicht explizit dargestellt ist, umfasst das Verfahren weiterhin das Ablösen des Substrats 1 von dem Werkstück 100 nach dem additiven Herstellen desselben (vgl. Figur 3) . Das Ablösen des Substrats 1 kann für alle be¬ schriebenen Ausführungsformen selektiv auf thermischem oder chemischem Wege erfolgen. Beispielsweise kann, unabhängig davon, ob das Substrat oder die Oberflächenstruktur metallisch oder keramisch ist, das Werkstück 100 chemisch abgelöst werden . Beispielsweise kann im Fall eines Substrats mit einer Alumi¬ niumoberflächenstruktur, das Ablösen mittels konzentrierter Salzsäure und bei Temperaturen zwischen 50°C und 80 °C erfol¬ gen . Figur 3 deutet schematisch an, dass das Substrat 1 nach dem additiven oder additiven Herstellen des Werkstücks 100 beispielsweise durch eine chemische oder thermische Ablösung entfernt wurde. Alternativ zu der Darstellung der Figur 3 kann das Substrat ebenfalls dadurch von dem Werkstück 100 abgelöst werden, dass das Beschichtungsmaterial 9 von dem Substrat 1 durch geeigne¬ te Mittel (selektive thermische und/oder chemische Ablösung) getrennt wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (100) umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer vorbestimmten Oberflächenstruktur (2),
Beschichten der Oberflächenstruktur (2) mit einem Be- schichtungsmaterial (9) durch ein thermisches Beschich- tungsverfahren, beispielsweise thermisches Spritzen, wo- bei das Beschichtungsmaterial (9) für eine Herstellungs¬ temperatur eines additiven Herstellungsverfahrens bestän¬ dig ist,
additives Herstellen eines Materials (5) für das Werk¬ stück (100) auf der beschichteten Oberflächenstruktur (2, 9) mittels Auftragschweißen, so dass die beschichtete
Oberflächenstruktur (2, 9) eine Grundfläche (3) des herzustellenden Werkstücks (100) definiert, und
Ablösen des Substrats (1) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grundfläche (3) eine bezüglich einer Kontur (4) des herzustellenden Werkstücks (100) zumindest teilweise innen liegende Oberfläche des Werk¬ stückes (100) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material (5) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung oder ein Aus¬ gangsstoff dafür ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur (2) vor dem Beschichten mit dem Beschichtungsmaterial (9), aufgeraut oder vorbehandelt wird, um eine Haftung des Beschichtungsmaterials (9) auf der Oberflä¬ chenstruktur (2) zu verbessern.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial (9) ein Metall und/oder ein Kera¬ mik-Metall-Verbundstoff ist.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (100) ein hochtemperaturbeständiges Bauteil ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungsmaterial (9) und das Material (5) für das Werkstück (100) zumindest in Bestandteilen identisch sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beschichtete Oberflächenstruktur (2, 9) eine Rauheit von weniger als 60 ym aufweist.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) eine Keramik umfasst, welche die Oberflächenstruktur (2) bildet.
10. Werkstück (100), welches mittels des Verfahrens gemäß ei¬ nem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist .
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