EP4334059A1 - Oberflächenumformung für additiv hergestellte strukturen - Google Patents

Oberflächenumformung für additiv hergestellte strukturen

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EP4334059A1
EP4334059A1 EP22740806.9A EP22740806A EP4334059A1 EP 4334059 A1 EP4334059 A1 EP 4334059A1 EP 22740806 A EP22740806 A EP 22740806A EP 4334059 A1 EP4334059 A1 EP 4334059A1
Authority
EP
European Patent Office
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pulse
component
impulse
surface areas
additively
Prior art date
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Pending
Application number
EP22740806.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Haberland
Michael Ott
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4334059A1 publication Critical patent/EP4334059A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for surface treatment, in particular for superficial reshaping or surface modification of a structure produced additively, preferably from a powder bed. Furthermore, a device for carrying out this method, a manufacturing method for a component, including the method for surface treatment and a correspondingly manufactured component are specified.
  • the component is preferably intended for use in the hot gas path of a gas turbine.
  • the component can be made of a superalloy and/or a (hardenable) nickel- or cobalt-based material.
  • the component relates to a component to be cooled with a thin-walled or filigree design.
  • the component can be a component for use in automobiles or in the aviation sector.
  • High-performance machine components are the subject of constant improvement, in particular to increase their efficiency in use. In the case of heat engines, in particular gas turbines, however, this leads, among other things, to ever higher operating temperatures.
  • the metallic materials and the component design of heavy-duty components such as turbine rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved in terms of their strength, service life, creep resistance and thermomechanical fatigue.
  • additive manufacturing processes colloquially also referred to as 3D printing, include, for example, powder bed processes such as selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).
  • SLM selective laser melting
  • SLS laser sintering
  • EBM electron beam melting
  • Other additive processes are for example "Directed Energy Deposition (DED)” methods, in particular laser deposition welding, electron beam or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called “sheet lamination” method, or thermal spraying methods (VPS LPPS, GDCS).
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting with pulsed radiation is known, for example, from EP 3022 008 Bl.
  • Additive manufacturing processes have also proven to be particularly advantageous for complex or delicately designed components, such as labyrinthine structures, cooling structures and/or lightweight structures.
  • additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.
  • LPBF Powder Bed Fusion
  • Components manufactured in a conventional way stand up to the additive manufacturing route, for example with regard to their freedom of design and also with regard to the required throughput time and the with associated high costs and the manufacturing effort, significantly.
  • the powder bed process inherently creates high thermal stresses in the component structure.
  • radiation paths or vectors that are too short lead to severe overheating, which in turn leads to distortion or cracking of the structure.
  • Severe distortion during the assembly process also easily leads to structural detachments, thermal deformation or geometric deviations outside of an allowable tolerance.
  • SAC strain-age-cracking
  • PWHT post-weld heat treatment
  • shot peening coverage is limited.
  • the accessibility of the blasting process is insufficient, especially in narrow gaps or notches. Because it is precisely in these hard-to-reach and/or filigree areas of complicated additively manufactured geometries that stress concentrations and/or notch effects often occur, which significantly increase the SAC susceptibility.
  • internal areas such as cooling channels in turbine blades, cannot be reached at all by the shot peening, so that the residual tensile stresses cannot be reduced here.
  • Another challenge in shot peening is to prevent the peening material from penetrating into internal structures (e.g. cooling channels), which then sinters or even melts in the subsequent heat treatment and can thus close the cavity or channel.
  • Said closure can then (economically) no longer be eliminated, which leads to the component being unusable for its intended use. Furthermore, there is a risk in the shot peening process that - due to the locally limited effective zone - component areas can be excessively deformed. This can apply in particular to the additively manufactured exit edges of turbine blades, but also to any other delicately designed component.
  • One aspect of the present invention relates to a method for surface treatment or surface shaping of a structure additively produced from the powder bed, the additively built structure being subjected to a pulse or energy pulse, with residual tensile stresses in surface areas of the structure being reduced by the pulse.
  • the pulse can in particular mean a pressure wave or a pressure pulse.
  • the method described here can be advantageously a uniform loading of the entire construction part surface, preferably in all surface areas can be achieved, whereby the risk of SAC uniform and can be significantly reduced.
  • the method described for surface treatment or surface modification is uniformly accessible for all relevant component areas, including notch bases and internal surfaces such as cooling channel surfaces.
  • blasting material residues remain in the component and impair the functionality (physically or chemically).
  • the risk of the formation of intermetallic phases (in the case of metallic blasting material) or low-melting eutectic phases in the case of vitreous blasting material can be advantageously prevented.
  • deformation of the component as a whole can advantageously be prevented by the isotropic or uniform pressure or pressure pulse on the component or its surface area. This is particularly important for filigree designs.
  • the surface treatment process is even scalable to the simultaneous treatment of a number of (small or large) additively manufactured components, provided that all components can be pulsed in a common mold.
  • the impulse is not or not exclusively thermal impulse.
  • the structure of the component is subjected to the impulse in such a way that the surface regions are acted upon isotropically and/or uniformly, or are deformed.
  • the process induces compressive stresses in the surface areas of the structure. This configuration can advantageously not only reduce the intrinsic tensile stress of the component, but also counteract the SAC inclination of the component structure even more effectively by the compressive stresses.
  • the impulse causes high-energy or high-speed deformation of the surface areas, which is locally limited, so that there is no plastic deformation of the structure as a whole.
  • the energy expenditure for the surface treatment is also moderate, in particular, since it is locally limited.
  • the surface areas include an inner surface or internal surface and/or an outer surface of the component structure.
  • the surface areas of the structure have a fine or sharp-edged geometry (see above).
  • an incompressible or virtually incompressible medium or active medium that is in contact with the surface areas to be treated is used for the application of the pulse. This advantageously achieves a uniform pulse impingement on the surface areas, and internal surfaces of the component structure are also impinged on evenly and effectively.
  • the named active medium includes water or oil or consists of these substances.
  • the active medium for example, a medium for the generation of pressure waves and a means for the transmission of the pulse can be specified at the same time.
  • the impulse is applied by hydro-impulse conversion. This can be accomplished, for example, by or via an explosion, a blast, a projectile, or a drop weight.
  • the pulse is applied by an electrical discharge, an electrohydraulic transformation, or a hydroelectric transformation.
  • the pulse is applied by electrodynamic or electromagnetic conversion, in particular a magnetic pressure pulse.
  • a pulse strength of the applied pulse corresponds to an Almen intensity of more than 0.1 mmA.
  • a pulse strength of the applied pulse corresponds to an Almen intensity of more than 0.14 mmA.
  • the structure is or is made from a nickel or cobalt-based alloy.
  • a further aspect of the present invention relates to an apparatus for carrying out the method described, the apparatus further comprising a mold and a device and a medium for applying the impulse (as described above).
  • a further aspect of the present invention relates to a method for additively manufacturing a component, comprising additively building up the component structure by means of a powder bed processes such as selective laser melting or electron beam melting.
  • This method also includes subjecting the structure to the impulse, with a cracking tendency of the structure, in particular by so-called “strain age cracking”, being reduced and, preferably, a heat treatment of the structure.
  • a further aspect of the present invention relates to a component which is produced or can be produced according to the method or methods described, the component being produced from a (conventionally) non-weldable alloy.
  • Configurations, features and/or advantages which in the present case relate to the method for surface treatment or the corresponding device, can also directly relate to the described additive manufacturing method and the correspondingly manufactured component, and vice versa.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used .
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an additively manufactured component structure and a device for carrying out the method described here.
  • FIG. 2 shows a schematic flow chart indicating method steps according to the invention.
  • Additive manufacturing of the component structure preferably relates to the methods just mentioned. Accordingly, a component structure 10 as described in FIG. 1 can be manufactured in an LPBF system (not explicitly identified in the figures). Alternatively, the system can also relate to a system for electron beam melting.
  • a corresponding production plant usually has a construction platform on which the component 10 is irradiated in layers by selectively irradiating a powder in a powder bed.
  • the powder is distributed in layers on the construction platform by a coating device.
  • each powder layer After the application of each powder layer, according to the predetermined geometry of the component 10, selective regions of the layer are melted with an energy beam, for example a laser or electron beam, from an irradiation device and then solidified.
  • an energy beam for example a laser or electron beam
  • the construction platform is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L.
  • the thickness is usually only between 20 and 40 gm, so that the whole process easily involves the selective irradiation of can range from thousands to tens of thousands of layers.
  • the component 10 described here can, in particular, be a component of a turbomachine, for example a component for the hot gas path of a gas turbine.
  • the component can be a blade or vane, a ring segment, a combustion chamber or a burner part, such as a burner tip, a skirt, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, an orifice or lance, a Designate a resonator, a stamp or a swirler, or a corresponding transition, a set, or a corresponding aftermarket part.
  • the component 10 is preferably produced additively and from a (precipitation-hardenable) superalloy and/or nickel- or cobalt-based alloy, particularly preferably from a conventionally or regularly non-weldable alloy (additive).
  • FIG. 1 schematically shows a device 100 for carrying out the method for surface treatment described here.
  • the device 100 comprises in particular a device 101 and a medium 102 for applying an energy or pressure pulse or a corresponding pressure wave, as well as a forming tool or forming die identified by the reference number 103 .
  • the component structure 10 that is identified in Figure 1 and is produced additively can be produced by the device 100 as uniformly, isotropically and/or homogeneously as possible with the said pulse (cf. arrow between the device for generating the pulse 101 and the component structure 10 in Figure 1 ) be applied, whereby residual tensile stresses in surface areas of the structure can be effectively reduced.
  • the treatment described can even induce compressive stresses in the surface areas, which further significantly reduce or even completely prevent the SAC tendency to crack.
  • the impulse 1 can also be used particularly advantageously only on the surface areas or in a locally limited manner for forming the component structure, with plastic deformation of the structure as a whole also being able to be avoided, for example.
  • the uniform effect of the pulse can preferably be effected via the medium 102, which medium can preferably be an active medium such as water and/or oil.
  • the active medium 102 mentioned is expediently in direct contact with surface areas or surfaces of the component structure 10 when the surface treatment is used.
  • the active medium 102 is expediently not, quasi-incompressible or hardly compressible in order to efficiently also transmit a mechanical impulse or to bring about a densification of the component structure at least in the surface areas. Chen in the surface areas can be all near-surface areas, ie inner Surfaces 12 and outer surfaces 13 of the component or particularly filigree areas 11 or edge areas of the component 10 act.
  • FIG. 1 also shows that the component has a cavity 14, for example a functional hollow space or a cooling channel, the inner surfaces 12 of which can therefore also be reliably modified by the method described, and a tensile stress state that triggers SAC can thus be efficiently counteracted can.
  • a cavity 14 for example a functional hollow space or a cooling channel
  • the pulse 1 is preferably not or not exclusively of a thermal nature.
  • a pure heat treatment cannot solve the problem addressed by the invention; although heat treatment may be required for further or general stress relaxation, as well as for precipitation hardening (component and material dependent).
  • the pulse 1 or a corresponding pressure wave can be applied according to the inventions, for example, by a hydro-Ipul transformation.
  • the device 101 and the corresponding active medium 102 are preferably specially designed for this type of forming.
  • Electrodynamic or electromagnetic conversion conversion by magnetic pressure pulse
  • conversion by magnetic pressure pulse can also be applied by way of the described invention.
  • an impulse strength of the applied impulse 1 preferably corresponds to an Almen intensity of more than 0.1 or 0.14 mmA. If, after the powder bed-based additive build-up of the component structure 10, depowdering or removal of powder residues in the cavity 14 is still required, the surface shaping described is preferably carried out after this depowdering, but at the same time before a subsequent heat treatment for the above-mentioned purposes.
  • FIG. 2 also uses a schematic flow chart to indicate a process step according to the invention for the production or completion of a component made of a high-performance alloy.
  • the method described includes (a) the additive construction of the component structure 1 by a powder bed method, such as selective laser melting or electron beam melting.
  • method step aa) describes an optional method step of depowdering, which—depending on the geometry of the component—can be dispensable.
  • the method also includes, in (b), that the structure 10 is subjected to an impulse 1, as described above, where a tendency of the structure to crack, in particular by so-called “strain age cracking", is reduced, and in (c) ei ne heat treatment of the structure, which may be required for the purposes described above.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer additiv aus einem Pulverbett heraus hergestellten Struktur (10) angegeben, wobei die additiv aufgebaute Struktur (10) einem Impuls (1) ausgesetzt wird und wobei Zugeigenspannungen in Oberflächenbereichen (10) der Struktur (10) durch den Impuls (1) reduziert werden. Weiterhin werden eine Vorrichtung (100) zur Durchführung des Verfahrens, ein entsprechendes Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, sowie ein auf diese Weise hergestelltes Bauteil aus einer konventionell nicht schweißbaren Legierung angegeben.

Description

Beschreibung
Oberflächenumformung für additiv hergestellte Strukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflä chenbehandlung, insbesondere zur oberflächlichen Umformung oder Oberflächenmodifikation einer additiv, vorzugsweise aus einem Pulverbett hergestellten Struktur. Weiterhin werden ei ne Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, ein Her stellungsverfahren für ein Bauteil, umfassend das Verfahren zur Oberflächenbehandlung sowie ein entsprechend hergestell tes Bauteil angegeben.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Demgemäß kann das Bauteil vor zugsweise aus einer Superlegierung und/oder aus einem (härt baren) Nickel- oder Kobaltbasis-Werkstoff hergestellt werden. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Kompo nente mit einem dünnwandigen oder filigranen Design. Alterna tiv oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Kom ponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luft fahrtsektor handeln.
Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um insbesondere ihre Effizienz im Einsatz zu steigern. Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, führt dies allerdings unter anderem zu immer höheren Einsatz temperaturen. Die metallischen Materialien und das Komponen tendesign hochbelastbarer Bauteile, wie Turbinenlaufschau feln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hin sichtlich ihrer Festigkeit, Lebensdauer, Kriechbelastbarkeit und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund techni scher Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispiels weise thermisch hochbelastbaren Komponenten. Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufac- turing"), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, um fassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elekt ronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulver spritzguss, sogenannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Be strahlung ist beispielsweise bekannt aus EP 3022 008 Bl.
Additive Fertigungsverfahren haben sich weiterhin als beson ders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bau teile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstruk turen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Ferti gungsparameter erfolgen kann.
Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der be schriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion") ermöglicht vorteilhaft die Imple mentierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapaziertähigkeit der Komponenten verbessern können.
Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, herge stellte Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den da- mit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach.
Durch den Pulverbettprozess entstehen in der Bauteilstruktur inhärent jedoch hohe thermische Spannungen. Insbesondere füh ren zu kurz bemessene Bestrahlungswege oder -Vektoren zu starken Überhitzungen, die wiederum zum Verzug oder Riss der Struktur führen. Ein starker Verzug während des Aufbauprozes ses führt weiterhin leicht zu strukturellen Ablösungen, ther mischen Verformungen oder geometrischen Abweichungen außer halb einer zulässigen Toleranz.
Bei einer sich an den additiven Aufbau anschließenden Wärme behandlung von bestimmten Legierungen (Superlegierungen) kommt es aufgrund von Überlagerungen von Eigenspannungen - einerseits resultierend aus den hohen thermischen Gradienten im AM-Prozess, andererseits durch das Ausscheiden der Gamma- Strich-Phase (g') in der Wärmebehandlung zur Rissbildung. Dieses Phänomen wird als „Strain-Age-Cracking" (SAC) bezeich net und führt dazu, dass bestimmte Legierungen als nicht schweißbar oder nur als schwer schweißbar gelten und damit für Schweißprozesse, insbesondere den LPBF-Prozess eine große Herausforderung darstellen, oder sogar gar nicht abbildbar sind. Das SAC, anderweitig auch als „post-weld heat treat- ment" (PWHT)-cracking bezeichnet, hat insbesondere bei der Ausscheidung der Gammastrichphase zur Folge, dass durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten von g und g' Eigenspannun gen hervorgerufen werden, die zur Rissneigung des entspre chenden Werkstoffs führen.
Diesem Problem wird durch verschiedene Ansätze begegnet; al lerdings ist bis heute keine zufriedenstellende Lösung ver fügbar, die das Problem löst, ohne dass dabei die Materialei genschaften - und insbesondere die Hochtemperaturfestigkeit und/oder Zeitstandfestigkeit - des entsprechenden Werkstoffs zwangsläufig abgewertet werden. Es wird beispielsweise bereits versucht, eine chemische Zu sammensetzung des zu schweißenden Werkstoffs anzupassen. In der Regel werden dazu die Gehalte von Legierungselementen, welche zur Bildung der Gamma-Strich-Phase beitragen, redu ziert. Damit ist aber nachteilhaft auch eine Abwertung der Materialeigenschaften hinsichtlich Festigkeit bzw. thermi scher und/oder mechanischer Beständigkeit, verbunden.
Ein weiterer Ansatz betrifft die Anpassung oder Integration der Wärmebehandlung durch einen sogenannten HIP-Zyklus (hei ßisostatisches Pressen). Damit lässt sich das Problem der mangelnden Schweißbarkeit bzw. Rissanfälligkeit in gewissen Grenzen halten oder unterdrücken. Bei besonders hochfesten Legierungen (z.B. CM247) wirkt dieser Ansatz jedoch allen falls teilweise. Wenn außerdem insbesondere oberflächen offene Defekte vorliegen kann selbst durch die Druckbeauf schlagung im HIP-Zyklus der Riss nicht geschlossen und an ei ner Ausbreitung (Rissfortschritt) auch nicht gehindert wer den.
Möglich ist es auch, Bauteiloberflächen vor einer ersten Wär mebehandlung einem Kugelstrahlprozess (vgl. "peening") zu un terziehen, um in oberflächennahen Bereichen riss- und/oder spannungsstiftende Zugeigenspannungen zu reduzieren und im Idealfall sogar Druckeigenspannungen zu erzeugen. Damit kann zwar effektiv das SAC reduziert werden. Allerdings ist diese Maßnahme recht aufwendig und nur unzureichend reproduzierbar.
Weiterhin ist die Abdeckung durch das Kugelstrahlen begrenzt. Insbesondere in engen Spalten oder Kerben ist die Zugänglich keit des Strahlprozesses unzureichend. Denn, gerade in diesen schwer zugänglichen und/oder filigranen Bereichen komplizier ter additiv hergestellter Geometrien tritt häufig eine Span nungskonzentration und/oder Kerbwirkung auf, die die SAC- Anfälligkeit deutlich verstärkt. Außerdem können innenliegen de Bereiche, z.B. Kühlkanäle in Turbinenschaufeln, durch den Kugelstrahl überhaupt nicht erreicht werden, sodass hier kei ne Reduzierung der Zugeigenspannungen erfolgen kann. Eine weitere Herausforderung beim Kugelstrahlen besteht in der Vermeidung des Eindringens von Strahlgut in interne Strukturen (z.B. Kühlkanäle), welches dann in der anschlie ßenden Wärmebehandlung sintert oder sogar schmilzt, und damit die Kavität oder den Kanal verschließen kann. Der genannte Verschluss kann dann (wirtschaftlich) nicht mehr beseitigt werden, was zur Unbrauchbarkeit des Bauteils für seinen be stimmungsgemäßen Einsatz führt. Weiterhin besteht beim Kugel strahlprozess die Gefahr, dass - aufgrund der lokal begrenz ten Wirkzone - Bauteilbereiche übermäßig deformiert werden können. Das kann insbesondere auf additiv gefertigte Aus trittskanten von Turbinenschaufeln, aber auch bei jedwedem anderen filigran gestalteten Bauteil zutreffen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das ge nannte Problem auf andere, wirkungsvollere Art zu lösen, ohne dabei andere maßgebliche Eigenschaften des Bauteils zu beein trächtigen .
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung oder Oberflächenumformung einer ad ditiv aus dem Pulverbett heraus hergestellten Struktur, wobei die additiv aufgebaute Struktur einem Impuls oder Energieim puls ausgesetzt wird, wobei Zugeigenspannungen in Oberflä chenbereichen der Struktur durch den Impuls reduziert werden.
Mit dem Impuls kann insbesondere eine Druckwelle oder ein Druckimpuls gemeint sein.
Durch das vorliegend beschriebene Verfahren kann vorteilhaf terweise eine gleichmäßige Beaufschlagung der gesamten Bau teiloberfläche, vorzugsweise in allen Oberflächenbereichen, erreicht werden, wodurch das Risiko des SAC einheitlich und umfassend reduziert werden kann. Mit anderen Worten ist das beschriebene Verfahren zur Oberflächenbehandlung bzw. Ober flächenmodifikation einheitlich zugänglich für alle relevan ten Bauteilbereiche, auch umfassend Kerbgründe und innen lie gende Oberflächen, wie Kühlkanalflächen.
Weiterhin besteht vorteilhafterweise kein Risiko des Ver schlusses oder des Verstopfens von internen Kavitäten des Bauteils durch Strahlgut oder (sonstige) Sintereffekte.
Auch wird vorteilhafterweise inhärent verhindert, dass Strahlgutrückstände in dem Bauteil verbleiben und die Funkto nalität (physikalisch oder chemisch) beeinträchtigen. Insbe sondere kann das Risiko der Bildung intermetallischer Phasen (bei metallischem Strahlgut) oder niedrigschmelzenden eutektischen Phasen bei glasartigem Strahlgut mit Vorteil verhindert werden.
Noch weiterhin kann durch den isotropen oder gleichmäßigen Druck oder Druckimpuls auf das Bauteil bzw. deren Oberflä chenbereich eine Verformung des Bauteils als Ganzes vorteil haft verhindert werden. Dies ist besonders bei filigranem De sign wichtig.
Der Prozess der Oberflächenbehandlung ist sogar skalierbar auf die gleichzeitige Behandlung einer Mehrzahl von (kleinen oder großen) additiv hergestellten Bauteilen, sofern alle Bauteile in einem gemeinsamen Formwerkzeug impulsbeaufschlagt werden können.
In einer Ausgestaltung ist der Impuls ein nicht oder nicht ausschließlich thermischer Impuls.
In einer Ausgestaltung wird die Struktur des Bauteils derart mit dem Impuls beaufschlagt, dass isotrop und/oder einheit lich auf die Oberflächenbereiche eingewirkt wird, bzw. diese umgeformt werden. In einer Ausgestaltung werden durch den Prozess Druckspannun gen in den Oberflächenbereichen der Struktur induziert. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil nicht nur die Zugeigen spannung des Bauteils reduziert, sondern durch die Druckspan nungen der SAC-Neigung der Bauteilstruktur noch wirkungsvol ler entgegengewirkt werden.
In einer Ausgestaltung wird durch den Impuls eine Hochener gieumformung bzw. Hochgeschwindigkeitsumformung der Oberflä chenbereiche bewirkt, die lokal begrenzt ist, sodass sich keine plastische Verformung der Struktur als Ganzes ergibt. Durch diese Ausgestaltung ist insbesondere auch der Energie aufwand für die Oberflächenbehandlung moderat, da lokal be grenzt.
In einer Ausgestaltung umfassen die Oberflächenbereiche eine innere Oberfläche bzw. innen liegende Oberfläche und/oder ei ne äußere Oberfläche der Bauteilstruktur.
In einer Ausgestaltung haben die Oberflächenbereiche der Struktur eine feine oder scharfkantige Geometrie (siehe oben).
In einer Ausgestaltung wird für die Anwendung des Impulses ein nicht oder quasi nicht kompressibles Medium oder Wirkme dium verwendet, dass in Kontakt mit den zu behandelnden Ober flächenbereichen steht. Dadurch wird mit Vorteil eine gleich mäßige Impulsbeaufschlagung der Oberflächenbereiche erreicht, und es werden weiterhin auch innenliegende Oberflächen der Bauteilstruktur gleichmäßig und wirkungsvoll beaufschlagt.
In einer Ausgestaltung umfasst das genannte Wirkmedium Wasser oder Öl oder besteht aus diesen Stoffen.
Durch die Anwendung des Wirkmediums kann beispielsweise zu gleich ein Medium für die Druckwellen-Erzeugung als auch ein Mittel für die Übertragung des Impulses vorgegeben werden. In einer Ausgestaltung wird der Impuls durch eine Hydro- Impuls-Umformung angewendet. Dies kann beispielsweise durch oder über eine Explosion, eine Druckwelle, ein Geschoss oder ein Fallgewicht bewerkstelligt werden.
In einer Ausgestaltung wird der Impuls durch eine elektrische Entladung, eine elektrohydraulische Umformung oder eine hyd roelektrische Umformung angewendet.
In einer Ausgestaltung wird der Impuls durch eine elektrody namische oder elektromagnetische Umformung, insbesondere ei nen magnetischen Druckimpuls, angewendet.
In einer Ausgestaltung entspricht eine Impulsstärke des ange wendeten Impulses einer Almen-Intensität von mehr als 0,1 mmA.
In einer Ausgestaltung entspricht eine Impulsstärke des ange wendeten Impulses einer Almen-Intensität von mehr als 0,14 mmA.
Durch diese Ausgestaltungen kann auf die Oberfläche insbeson dere ähnlich wirkungsvoll oder impulsiv eingewirkt werden, wie dies bei verwandten Strahl- oder Kugelstrahlprozessen der Fall ist.
In einer Ausgestaltung wird oder ist die Struktur aus einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung hergestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung weiterhin ein Formwerkzeug und eine Einrichtung und ein Medium zur Anwendung des Impulses (wie oben beschrieben), umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, umfassend das additive Aufbauen der Bauteilstruktur durch ein Pulver- bett-Verfahren, wie selektives Laserschmelzen oder Elektro nenstrahlschmelzen .
Dieses Verfahren umfasst weiterhin das Beaufschlagen der Struktur mit dem Impuls, wobei eine Rissneigung der Struktur, insbesondere durch sogenanntes „Strain Age Cracking", redu ziert wird und, vorzugsweise, eine Wärmebehandlung der Struk tur.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem oder den beschriebenen Verfahren hergestellt oder herstellbar ist, wobei das Bauteil aus einer (konventionell) nicht schweißbaren Legierung hergestellt ist.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zur Oberflächenbehandlung bzw. die entsprechende Vorrichtung beziehen, können ferner das be schriebene additive Herstellungsverfahren sowie das entspre chend hergestellte Bauteil direkt betreffen, und umgekehrt.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeu tet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer additiv hergestellten Bauteilstruktur, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des vorliegend beschriebenen Verfahrens.
Figur 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, andeutend er findungsgemäße Verfahrensschritte.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei- chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Herstellungsanlagen zur pulverbett-basierten additiven Her stellung, beispielsweise durch selektives Lasersintern, se lektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Eine additive Herstellung der Bauteilstruktur, wie sie vor liegend beschrieben ist, betrifft vorzugsweise die soeben ge nannten Verfahren. Demgemäß kann eine Bauteilstruktur 10, wie in Figur 1 beschrieben, in einer LPBF-Anlage (nicht explizit in den Figuren gekennzeichnet) hergestellt werden. Alternativ kann die Anlage auch eine Anlage zum Elektronenstrahlschmel zen betreffen.
Diesen Verfahren gemein ist, dass eine entsprechende Herstel lungsanlage üblicherweise eine Bauplattform aufweist, auf der das Bauteil 10 entsprechend schichtweise durch selektives Be strahlen eines Pulvers in einem Pulverbett bestrahlt wird.
Das Pulver wird dabei durch eine Beschichtungseinrichtung schichtweise auf der Bauplattform verteilt.
Nach dem Aufträgen einer jeden Pulverschicht werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung auf geschmolzen und anschließend verfestigt.
Nach jeder Schicht wird die Bauplattform vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt. Die Dicke beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 und 40 gm, so dass der gesamte Prozess leicht die selektive Bestrahlung von Tausenden bis hin zu Zehntausenden von Schichten umfassen kann.
Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Ener gieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist selbstver ständlich während des Aufbaus und danach auch ein Verspan nungszustand des Bauteils, was die additiven Herstellungspro zesse erheblich verkompliziert. Der besagte Spannungszustand resultiert einerseits aus den hohen thermischen Gradienten im AM-Prozess. Andererseits wird bei einer sich an den additiven Aufbau anschließenden Ausscheidungs-Wärmebehandlung, bei der beispielsweise Phasenausscheidungen, insbesondere der Gam mastrichphase, bewirkt werden, Spannungen aufgebaut, die durch die Phasenausscheidung selbst bewirkt werden. Dieses Phänomen wird als „Strain-Age-Cracking" (SAC) bezeichnet und führt dazu, dass bestimmte Legierungen als kaum oder gar nicht schweißbar gelten, und damit AM-schweißtechnisch nicht bearbeitbar sind.
Bei dem vorliegend beschriebenen Bauteil 10 kann es sich ins besondere um ein Bauteil einer Strömungsmaschine, beispiels weise um ein Bauteil für den Heißgaspfad einer Gasturbine, handeln. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leit schaufel, ein Ringsegment, eine Brennkammer- oder ein Bren nerteil, wie eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Ein satz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
Insbesondere ist das Bauteil 10 vorzugsweise auf additivem Wege und aus einer (ausscheidungshärtbaren) Superlegierung und/oder nickel- oder kobaltbasierten Legierung, besonders bevorzugt aus einer konventionell oder regelgerecht nicht schweißbaren Legierung (additiv) hergestellt. Die Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 100 zur Durch führung des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur Oberflä chenbehandlung. Die Vorrichtung 100 umfasst dazu insbesondere eine Einrichtung 101 und ein Medium 102 zur Anwendung eines Energie- oder Druckimpulses bzw. einer entsprechenden Druck welle, sowie ein mit dem Bezugszeichen 103 gekennzeichnetes Formwerkzeug oder Umformgesenk.
Die in Figur 1 gekennzeichnete auf additivem Wege hergestell te Bauteilstruktur 10 kann durch die Vorrichtung 100 mög lichst gleichförmig, isotrop und/oder homogen mit dem genann ten Impuls (vgl. Pfeil zwischen der Einrichtung zur Erzeugung des Impulses 101 und der Bauteilstruktur 10 in Figur 1) be aufschlagt werden, wobei Zugeigenspannungen in Oberflächenbe reichen der Struktur wirksam reduziert werden können. Vor zugsweise können durch die beschriebene Behandlung in den Oberflächenbereichen sogar Druckspannungen induziert werden, welche die SAC-Rissneigung weiter signifikant reduzieren oder sogar vollständig verhindern.
Durch die beschriebene Methodik lässt sich der Impuls 1 wei terhin besonders vorteilhaft lediglich auf die Oberflächenbe reiche oder lokal begrenzt zur Umformung der Bauteilstruktur anwenden, wobei beispielsweise auch eine plastische Verfor mung der Struktur als Ganzes vermieden werden kann.
Die gleichförmige Wirkung des Impulses kann vorzugsweise über das Medium 102 bewirkt werden, wobei es sich bei dem Medium vorzugsweise um ein Wirkmedium, wie Wasser und/oder Öl, han deln kann. Das genannte Wirkmedium 102 ist zweckmäßigerweise bei Anwendung der Oberflächenbehandlung in direktem Kontakt mit Oberflächenbereichen oder Oberflächen der Bauteilstruktur 10. Für die Anwendung bzw. Übertragung des Impulses ist das Wirkmedium 102 zweckmäßigerweise nicht, quasi-nicht oder kaum kompressible, um effizient auch einen mechanischen Impuls oder eine Verdichtung der Bauteilstruktur zumindest in den Oberflächenbereichen zu bewirken. Bei den Oberflächenberei chen kann sich um alle oberflächennahen Bereiche, d.h. innere Oberflächen 12 als auch äußere Oberflächen 13, des Bauteils oder besonders filigrane Bereiche 11 oder Kantenbereiche des Bauteils 10 handeln.
In der Figur 1 ist weiterhin gezeigt, dass das Bauteil eine Kavität 14, beispielsweise einen funktionalen Hohlraum oder einen Kühlkanal aufweist, dessen innere Oberflächen 12 mithin ebenfalls zuverlässig durch das beschriebene Verfahren modi fiziert werden können, und so einem SAC auslösenden Zugspan nungszustand effizient entgegengewirkt werden kann.
Der Impuls 1 ist vorzugsweise nicht oder nicht ausschließlich thermischer Natur. Eine reine Wärmebehandlung kann das durch die Erfindung adressierte Problem nicht lösen; obgleich eine Wärmebehandlung für eine weitere oder allgemeine Spannungsre laxation, als auch für eine Ausscheidungshärtung (bauteil- und materialabhängig) erforderlich sein kann.
Der Impuls 1 bzw. eine entsprechende Druckwelle kann erfin dungsgemäß beispielsweise durch eine Hydro-Ipul-Umformung an gewendet werden. Dazu ist die Einrichtung 101 sowie das ent sprechende Wirkmedium 102 vorzugsweise speziell für diese Art der Umformung ausgelegt.
Analoges gilt für einen durch elektrische Entladung, elekt rohydraulische oder hydroelektrische Umformung hervorgerufe nen Impuls, welcher ebenfalls eine erfindungsgemäße Ausge staltung des Verfahrens betreffen kann.
Auch kann im Wege der beschriebenen Erfindung eine elektrody namische oder elektromagnetische Umformung (Umformung durch magnetischen Druckimpuls) angewendet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Oberflächen behandlung entspricht eine Impulsstärke des angewendeten Im pulses 1 vorzugsweise einer Almen-Intensität von mehr als 0,1 bzw. 0.14 mmA. Sofern nach dem pulverbett-basierten additiven Aufbau der Bauteilstruktur 10 noch eine Entpulverung oder Beseitigung von Pulverresten in der Kavität 14 erforderlich ist, erfolgt die beschriebene Oberflächenumformung vorzugsweise nach die ser Entpulverung, aber zugleich vor einer sich noch anschlie ßenden Wärmebehandlung zu den oben genannten Zwecken.
Figur 2 deutet anhand eines schematischen Flussdiagramms wei terhin einen erfindungsgemäßen Verfahrensgang zur Herstellung bzw. Fertigstellung eines Bauteils aus einer Hochleistungsle gierung an. Das beschriebene Verfahren umfasst, (a), das ad ditive Aufbauen der Bauteilstruktur 1 durch ein Pulverbett- Verfahren, wie selektives Laserschmelzen oder Elektronen strahlschmelzen .
Wie oben angedeutet, beschreibt der Verfahrensschritt aa) ei nen optionalen Verfahrensschritt der Entpulverung, welcher - abhängig von der Geometrie des Bauteils - entbehrlich sein kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin, in (b), dass Beaufschlagen der Struktur 10 mit einem Impuls 1, wie oben beschrieben, wo bei eine Rissneigung der Struktur, insbesondere durch soge nanntes „strain age cracking", reduziert wird, und in (c) ei ne Wärmebehandlung der Struktur, welche zu den oben beschrie benen Zwecken erforderlich sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer additiv aus einem Pulverbett heraus hergestellten Struktur (10), wobei die additiv aufgebaute Struktur (10) einem Impuls (1) ausge setzt wird, wobei Zugeigenspannungen in Oberflächenbereichen (10) der Struktur (10) durch den Impuls (1) reduziert werden, wobei die Oberflächenbereiche eine innere Oberfläche (12) und/oder eine äußere Oberfläche (13) der Struktur (10) umfas sen, und wobei Oberflächenbereiche der Struktur eine feine oder scharfkantige Geometrie (11) haben.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Impuls (1) nicht oder nicht ausschließlich thermischer Natur ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur (10) derart mit dem Impuls beaufschlagt wird, dass isotrop und/oder einheitlich auf die Oberflächenbereiche (11, 12, 13) eingewirkt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei - durch den Prozess - Druckspannungen in den Oberflächen bereichen der Struktur (10) induziert werden.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei durch den Impuls eine Hochenergieumformung der Oberflä chenbereiche bewirkt wird, die lokal begrenzt ist, sodass sich keine plastische Verformung der Struktur (10) als Ganzes ergibt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei - für die Anwendung des Impulses (1) - ein nicht oder quasi-nicht kompressibles Wirkmedium verwendet (101) wird, das in Kontakt mit den Oberflächenbereichen steht.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Wirkmedium Wasser oder Öl umfasst oder aus einem dieser Stoffe besteht.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Impuls (1) durch Hydro-Impuls-Umformen angewendet wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Impuls (1) durch eine elektrische Entladung, eine elektrohydraulische oder eine hydroelektrische Umformung an gewendet wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Impuls (1) durch eine elektrodynamische oder elektro magnetische Umformung angewendet wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei eine Impulsstärke des Impulses (1) einer Almen-Intensität von mehr als 0.14 mmA entspricht.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Struktur (1) aus einer Nickel- oder Kobaltbasislegie rung hergestellt wird.
13. Vorrichtung (100) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Formwerk zeug (103) und eine Einrichtung (101) und ein Medium (102) zur Anwendung des Impulses (1).
14. Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, um fassend:
- (a) additives Aufbauen der Bauteilstruktur (1) durch ein Pulverbett-Verfahren, wie selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen ,
- (b) Beaufschlagen der Struktur (10) mit einem Impuls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Riss neigung der Struktur, insbesondere durch sogenanntes „strain age cracking", reduziert wird, und
- (c) Wärmebehandeln der Struktur.
15. Bauteil (10), welches gemäß dem Verfahren nach Anspruch 14 hergestellt ist, wobei das Bauteil (10) aus einer konven tionell nicht schweißbaren Legierung hergestellt ist.
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