EP4351821A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils durch schichtaufbau - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils durch schichtaufbau

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Publication number
EP4351821A1
EP4351821A1 EP22732482.9A EP22732482A EP4351821A1 EP 4351821 A1 EP4351821 A1 EP 4351821A1 EP 22732482 A EP22732482 A EP 22732482A EP 4351821 A1 EP4351821 A1 EP 4351821A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
metallic material
crystal
extension
layers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22732482.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carolin KÖRNER
Julian Pistor
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.)
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Original Assignee
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg filed Critical Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Publication of EP4351821A1 publication Critical patent/EP4351821A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C22C—ALLOYS
    • C22C2200/00—Crystalline structure

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by building up layers.
  • the component includes at least one single crystal.
  • the conventional production of single crystals is usually based on epitaxial crystal growth starting from a seed crystal.
  • the controlled single-crystal growth can then take place either according to the Czochralski method by drawing crucibles, by zone melting or by directional solidification according to the Bridgman method.
  • the crystal orientation of the seed crystal determines the crystal orientation of the resulting single crystal.
  • European patent specification EP 1 495 166 B1 relates to a method for producing monocrystalline metallic layers on a monocrystalline substrate by means of layer construction by epitaxial growth starting from a material, for example in powder form.
  • the substrate is in particular a workpiece to be repaired or reconditioned.
  • the European patent application EP 3459654 A1 also relates to a method for producing monocrystalline metallic layers on a monocrystalline substrate while retaining the monocrystalline microstructure.
  • the Bridgman process known, for example, from the German patent application DE 102014 113806 A1 is used to produce monocrystalline turbine blades from a nickel-based alloy.
  • a single crystal is realized by selecting exactly one grain.
  • crystals whose crystal orientation almost coincides with the direction of solidification are selected from a very large number of seed crystals by directional solidification by grain selection.
  • the direction of solidification corresponds to the ⁇ 001> direction of the crystals.
  • a further, geometric selection is made with the help of a spiral selector.
  • the secondary crystal orientation of the single crystals is determined randomly by the spiral selector.
  • a disadvantage of this method is that it cannot be used to set a more precise crystal orientation.
  • the crystal orientation in the solidification direction can deviate a few degrees from the desired crystal orientation.
  • the secondary crystal orientation cannot be influenced at all.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a method is to be specified with which the crystal orientation of single crystals can be optimized. This should in particular improve the quality of the production of monocrystals.
  • a component with a single crystal should also be controlled produced crystal orientation provided and a method for its production are given.
  • this object is achieved by a method according to the subject matter of claim 1 and by a component according to the subject matter of claim 20.
  • Advantageous refinements of the invention are specified in each case in the dependent claims.
  • a component is produced by building up layers by combining a multiplicity of crystallites of a metallic material to form a single crystal.
  • the single crystal is created by thermo-mechanically activated successive anisotropic plastic deformation.
  • the metallic material is heated while a new layer is being built up, so that the metallic material is melted in a linear area.
  • the line-shaped area is moved to build the new layer.
  • thermo-mechanically activated successive anisotropic plastic deformation is understood to mean plastic deformation of the metallic material, which is caused by mechanical stresses occurring during heating, in particular melting, and subsequent cooling, in particular solidification, of the metallic material. During heating, in particular melting, and subsequent cooling, in particular solidification, thermal expansion can occur, which causes the mechanical stresses.
  • the mechanical stresses are preferably generated in a targeted manner by adjusting the direction of expansion, speed and/or temperature of the melted linear area and/or its surroundings.
  • the mechanical stresses preferably exceed the yield point of the metal materials.
  • the mechanical stresses preferably have a preferred direction due to the linear configuration of the melted linear area. An anisotropic mechanical stress field is thus generated. This results in an anisotropic plastic deformation.
  • This anisotropy preferably leads to the production of a single crystal.
  • the metallic material is gradually subjected to plastic deformation in sections, that is to say successively.
  • the component is built up in layers in one direction.
  • the individual layers are also preferably built up gradually, in that the melted linear area runs through them.
  • the crystal orientation in particular the primary (in the structure direction) and secondary (in the plane of the layer) crystal orientation, can be set precisely by the thermo-mechanical stress field generated in a targeted manner by adjusting the direction of expansion, speed and/or temperature of the melted linear area.
  • the mechanical stresses can be compressive stresses or tensile stresses.
  • the mechanical stresses occur primarily in the metallic material of a new layer and the metallic material that has already solidified in the course of the layered structure, in particular in the region of up to 5 mm below the new layer.
  • the already solidified material located immediately below the new layer, in particular up to 5 mm below it, also exhibits mechanical stresses.
  • the component is preferably subjected to mechanical clamping in the course of a materially bonded connection created by melting metallurgy.
  • mechanical stresses are not relieved by the single crystal that has already grown evading, and in this context one speaks of self-clamping.
  • the mechanical stresses arise in particular from the interaction of thermal expansion and self-restraint.
  • the component is preferably built up gradually on a base plate.
  • the base plate can be made of the same metallic material as the component.
  • the bottom plate can be formed from a different metallic material.
  • the component is preferably constructed with a crystal structure that differs from that of the base plate.
  • the component therefore preferably differs from the base plate in its crystal structure.
  • the component can be separated from the base plate after its completion.
  • an initial region of the component is preferably additionally separated off, in which a monocrystalline state has not yet been established.
  • the component can be built up gradually starting from a powder bed.
  • an initial region of the component in which a monocrystalline state has not yet set is preferably separated off.
  • the component is therefore preferably not produced starting from a monocrystalline substrate.
  • the component is preferably built up on a polycrystalline base plate or on a powder bed. After its completion, the component is preferably separated from the base plate and/or from an initial region of the component in which a single-crystal state has not yet been established.
  • the component can be constructed so weakly connected to the base plate that the component can be easily removed from the base plate.
  • the component can be sintered onto the base plate, for example.
  • linear area refers to the linear area melted according to the claims. A repetition of the term "melted" is usually avoided.
  • the line-shaped area has an extension direction. Preferably, significantly greater mechanical stresses arise due to the self-restraint in this direction of expansion than perpendicular to it in the plane of the new layer.
  • the line-shaped area is preferably moved perpendicularly to its direction of extension. Accordingly, much stronger mechanical stresses arise due to the self-constraint in the direction of extension of the line-shaped area than in the direction of movement of the line-shaped area.
  • the mechanical stress field is therefore anisotropic.
  • This anisotropy leads to anisotropic plastic deformation and generation of a single crystal.
  • the crystal orientation in particular the primary and secondary crystal orientation, can preferably be precisely adjusted.
  • the primary and the secondary crystal orientation as regards the crystal orientation.
  • the primary crystal orientation indicates the alignment of the single crystal or an axis of the single crystal with respect to the z-direction.
  • the single crystal is preferably aligned in the z-direction, but can also be tilted with respect to the z-direction.
  • the secondary crystal orientation stands for a specific rotational position of the crystal lattice around the axis of the single crystal.
  • the secondary crystal orientation refers to the specific rotational position of the crystal lattice about the z-axis, or to put it another way, the position of the crystal lattice in the xy plane.
  • the linear area is preferably surrounded by a heat-affected zone.
  • the metallic material is preferably not melted in the heat-affected zone. To put it more precisely, the metallic material is preferably not yet melted in part in the heat-affected zone, and in part no longer melted.
  • the heat-affected zone is preferably moved together with the line-shaped area to build up the new layer. In the heat-affected zone, there are preferably high temperature gradients. This leads to particularly strong thermally induced mechanical stresses in the heat-affected zone. The mechanical stresses in the heat-affected zone preferably exceed the yield point. Therefore, plastic deformation of the metallic material preferably occurs in the heat-affected zone.
  • the shape of the heat-affected zone preferably essentially corresponds to the shape of the linear area.
  • the mechanical stresses in the Heat-affected zones therefore also have a preferred direction.
  • the plastic deformation in the heat-affected zone is therefore also anisotropic.
  • the heat-affected zone thus preferably contributes to the production of a single crystal whose crystal orientation, preferably in its primary and secondary crystal orientation, is set precisely.
  • a temperature field is preferably generated in the installation space.
  • a heat input can take place directly in the linear area, in the heat-affected zone, in the new layer, in the layer produced immediately before the new layer and/or in the layers produced immediately before the new layer. Alternatively or additionally, heat can be applied to the entire installation space, in particular from the outside.
  • the metallic material can be heated to a first temperature and/or a first temperature range directly in the line-shaped area while the new layer is being built up. This means that a heat input takes place directly in the linear area.
  • the metallic material in the heat-affected zone is preferably heated to a second temperature and/or a second temperature range.
  • the first temperature or the first temperature range is preferably higher than the second temperature or the second temperature range.
  • the metallic material is preferably heated to at least a third temperature and/or a third temperature range throughout the new layer during the build-up of the new layer.
  • the third temperature is also referred to as the construction temperature.
  • the second temperature or the second The temperature range is preferably higher than the third temperature or the third temperature range.
  • heat can also be applied directly to the new layer outside of the line-shaped area.
  • the heat input per unit area directly in the line-shaped region is greater than the heat input per unit area directly on the new layer outside the line-shaped region.
  • a depth of the line-shaped area may be limited to the new layer.
  • the line-shaped area preferably extends through the new layer and penetrates into the layer produced immediately before the new layer and/or into the layers produced immediately before the new layer.
  • the depth of the line-shaped region preferably extends across the new layer and to one to ten, more preferably five to ten layers produced immediately before the new layer.
  • the metallic material is preferably repeatedly subjected to melting and solidification.
  • the temperature field also acts on metallic material that has already solidified in the layer produced immediately before the new layer and/or in the layers produced immediately before the new layer. These layers are also mechanically braced. This means that the mechanical stress field also extends to the layer produced directly in front of the new layer or to the layers produced directly in front of the new layer.
  • the production of the monocrystal can be favored by this already existing anisotropic stress field.
  • the mechanical stresses can exceed the yield point, particularly in the linear area, in the heat-affected zone, in the new layer, in the layer produced immediately before the new layer and/or in the layers produced immediately before the new layer.
  • plastic deformations can occur which, due to the anisotropy of the mechanical stresses, are preferred contribute to the production of a single crystal whose crystal orientation, preferably in its primary and secondary crystal orientation, is set precisely.
  • the metallic material in the line-shaped area can be melted during the build-up of the new layer with one or more temporal interruptions.
  • the metallic material in the line-shaped area is preferably continuously melted during the build-up of the new layer.
  • the crystallites preferably have a size in a range from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably in a range from 20 ⁇ m to 200 ⁇ m, particularly preferably in a range from 40 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • Preferably at least 100, more preferably at least 100,000, particularly preferably at least 100,000,000 are combined to form one layer of the single crystal.
  • Preferably at least 1,000, more preferably at least 1,000,000, particularly preferably at least 1,000,000,000 crystallites are combined to form the single crystal.
  • the method is preferably carried out in a hermetically sealed chamber.
  • the chamber can be evacuated and/or filled with inert gas. This allows the material properties to be controlled particularly well. In addition, the component is protected from unwanted oxidation.
  • the component can also be produced with several single crystals according to the invention.
  • the component can also have polycrystalline, in particular finely crystalline, regions.
  • the component can in particular be a thermally and/or mechanically highly stressed component, preferably a turbine blade.
  • the turbine blade can be provided for land or air based turbines, in particular gas turbines or water turbines.
  • the turbine can be used stationary or mobile.
  • the turbine blade can be used in drives, in particular in engines, or in generators.
  • the crystal orientation of the single crystals produced using the method according to the invention is optimized by adjusting the direction of expansion, speed and/or temperature of the melted line-shaped area.
  • the crystal orientation in particular the primary and/or the secondary crystal orientation, can preferably be set very precisely using the method according to the invention. This improves the quality of the production of the monocrystals.
  • the method according to the invention is particularly suitable for components for high-temperature applications, eg with nickel-based alloys, electrical and/or thermal Applications, eg with pure copper or copper alloys, or functional applications, in particular with shape memory alloys, eg nitinol.
  • Monocrystalline and polycrystalline areas can advantageously be very flexibly combined with one another in the component using the method according to the invention.
  • the mechanical properties of a component produced by the method according to the invention in particular of a turbine blade produced by the method according to the invention, can be adapted locally.
  • the local adjustment can take place on the one hand by precisely adjusting the crystal orientation, in particular the primary and/or the secondary crystal orientation, of monocrystalline regions in the turbine blade.
  • these monocrystalline areas in the turbine blade can be surrounded by finely crystalline areas in a precisely defined manner. This advantageously prevents failure of the material of the turbine blade.
  • the method according to the invention advantageously makes it possible to produce single-crystal components whose crystal orientation is precisely adapted to the load case.
  • the crystal orientation can be adapted to the course of stress lines and/or lines of force in the component.
  • the crystal orientation itself in the component can be continuously adapted to the local loads.
  • the method according to the invention can also be used to repair and/or supplement monocrystalline components.
  • a broken tip of a monocrystalline component can be restored by the method according to the invention.
  • the linear region has a length along its extension direction and a width perpendicular thereto.
  • the ratio of length and width is preferably at least 2:1, preferably at least 5:1 and particularly preferably at least 20:1.
  • the line-shaped area has a width and a depth perpendicular to its direction of extension.
  • the ratio of width and depth is in a range from 1:2 to 10:1, preferably in a range from 2:1 to 4:1.
  • the depth of the line-shaped area is 50 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 150 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the depth of the line-shaped area is preferably dimensioned such that the line-shaped area not only extends within the new layer, but at least partially penetrates into one or more of the layers produced immediately beforehand. As a result, the quality of the single crystals produced can be further increased.
  • the component is produced in layers by local melting of a powder layer made of the metallic material and/or by local application of the metallic material.
  • the component is therefore preferably produced by additive manufacturing.
  • the powder layer can be provided as a bed with the help of a squeegee.
  • the metallic material can be locally applied, for example, by providing a wire or a powder using the method of direct energy deposition. This process is also known by the English name Direct Energy Deposition and the abbreviation DED.
  • the wire and/or the powder are melted by a focused heat source, for example a laser, an electron beam or an electric arc.
  • the heat source is preferably attached to a gantry system or a robotic arm. This method is particularly advantageous when repairing single-crystal components.
  • the metallic material is melted in the linear area by a laser and/or an electron beam.
  • the metallic material is preferably heated throughout the new layer by the laser and/or the electron beam during the build-up of the new layer.
  • the laser and/or electron beam sweeps over the new layer, preferably periodically.
  • the laser and/or electron beam can sweep over the new layer several times in predetermined time intervals.
  • the intensity is preferably in the line-shaped area or the dwell time of the laser and/or electron beam is selected in such a way that the metallic material melts.
  • the method is preferably carried out according to the known methods of selective laser melting, also known by the English designations Selective Laser Melting or Laser Powder Bed Fusion and the abbreviations SLM, LPBF, L-PBF or PBF-L, and/or selective electron beam melting , which is also known by the English names Selective Electron Beam Melting or powder bed fusion electron beam and the abbreviations SEBM or PBF-EB.
  • selective laser melting also known by the English designations Selective Laser Melting or Laser Powder Bed Fusion and the abbreviations SLM, LPBF, L-PBF or PBF-L
  • selective electron beam melting which is also known by the English names Selective Electron Beam Melting or powder bed fusion electron beam and the abbreviations SEBM or PBF-EB.
  • the component is preferably built up in layers in a construction space within a process chamber using a powder bed.
  • powder layers made of the metallic material are applied with a squeegee, heated with a laser and selectively melted.
  • the metallic material can be heated so much by multiple scanning with the laser that selective melting takes place.
  • the installation space is preferably brought to a sufficiently high temperature by heating elements so that the metallic material can be selectively melted by the laser.
  • the temperature required for this can be provided in the installation space by heating elements from below, the side or from above.
  • radiation for example infrared radiation, can be used for heating from above.
  • the power of the laser is preferably in a range from 50 to 5,000 W.
  • the selective laser melting is preferably carried out under a protective gas atmosphere.
  • the protective gas preferably includes argon, helium and/or nitrogen.
  • selective laser melting in a vacuum be performed.
  • the construction space within the process chamber preferably has a construction plane as the xy plane and a height in the z direction.
  • the dimension of the construction space is preferably 100 to 500 mm in the construction plane and/or 100 to 1000 mm in height.
  • the laser is preferably controlled via actuator-controlled mirrors.
  • the power introduced by the laser into the construction space and in particular into the line-shaped area, into the heat-affected zone and/or into the new layer is preferably modulated by its scanning speed and/or intensity. With pulsed lasers, the pulse frequency can also be varied.
  • the component is preferably built up in layers in a construction space within a vacuum chamber by means of a powder bed.
  • layers of powder are applied with a squeegee, heated by multiple scanning with an electron beam and then selectively melted.
  • the power of the electron beam is preferably in a range from 0.1 to 40 kW.
  • the construction space within the vacuum chamber preferably has a construction level as the x-y plane and a height in the z-direction.
  • the dimension of the construction space is preferably 100 to 500 mm in the construction level and/or 100 to 1000 mm in height.
  • the electron beam is preferably controlled by means of magnetic fields.
  • the electron beam preferably reaches speeds of up to 10,000 m/s.
  • the power introduced by the electron beam into the construction space and in particular into the line-shaped area, into the heat-affected zone and/or into the new layer is preferably modulated by its scanning speed and/or intensity.
  • the flexibility of the electron beam advantageously allows a temperature field and a temperature-time profile to be set precisely.
  • the line-shaped area can be generated particularly easily and flexibly.
  • particularly fine and/or thin structures can be produced for the line-shaped area.
  • the component and/or an installation space containing the component is/are additionally heated.
  • the component and/or the installation space can also be heated by the laser and/or the electron beam.
  • the heating of the component and/or the installation space can result indirectly from the heating of the new layer and/or the linear area.
  • the component and/or the installation space can be heated by an external heater.
  • the external heating can be implemented by additional heating units, in particular one or more infrared radiators, one or more inductive heating units and/or one or more resistance heating units.
  • the metallic material, the component and/or the installation space is heated to a temperature in the range from 300° C. to 1200° C., preferably to a temperature in the range from 700° C. to 1200° C., in particular preferably at a temperature in the range of 900°C to 1100°C.
  • temperatures in the range from 900° C. to 1100° C. are preferred.
  • the level of mechanical stress depends on the choice of metallic material and the temperature of the metallic material and/or the component.
  • the mechanical stresses are reduced by plastic strain up to the yield point.
  • the yield point itself depends on the temperature.
  • the method is preferably adjusted in such a way that anisotropic plastic strains of 0.02 to 3%, particularly preferably 0.2 to 1%, are introduced into the material in each layer.
  • the anisotropic plastic strains gradually lead to the formation of a single crystal through texturing.
  • the yield stresses are between 1000 MPa and 5 MPa at typical working temperatures of 700°C to 1200°C. It is advantageous to reduce the thermal shrinkage plastically as completely as possible.
  • the temperature of the metallic material and/or the component is preferably so high that the yield point of the metallic material is small compared to the thermomechanical stresses.
  • the layers are built up along a build-up direction. Layers with thicknesses in the range between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m, particularly preferably in the range between 30 ⁇ m and 100 ⁇ m, are preferably produced here.
  • the metallic material is formed from a nickel-based alloy, nickel-titanium alloy and/or copper alloy.
  • the line-shaped area is subjected to a lateral movement perpendicular to its direction of extension with a lateral velocity v t while maintaining its direction of extension.
  • the lateral velocity via t is preferably between 0.1 mm/s and 100 mm/s, particularly preferably between 0.5 and 10 mm/s.
  • the length of the line-shaped area can vary during this movement.
  • the length of the linear area is preferably varied as a function of a geometry of the component to be produced.
  • the lateral velocity can be constant at least at times.
  • the lateral velocity at the start of a new layer is preferably equal to zero until the metallic material in the linear area has melted.
  • the lateral velocity is preferably increased to a constant value.
  • the lateral velocity can be decreased again, preferably reaching zero, while the metallic material is allowed to solidify in the linear region.
  • a brief, complete solidification of the metallic material in the line-shaped area can be provided during the build-up of a new layer.
  • the metallic material can then be melted again at the same point or at a different point to create the line-shaped area.
  • a crystal orientation of the monocrystal is set in a defined manner by setting the direction of expansion and lateral movement of the linear region in successive layers.
  • the crystal orientation in particular the primary and the secondary crystal orientation, is preferably set in a defined manner.
  • the crystal orientation can be adjusted in such a way that it remains constant in the direction of build-up.
  • the primary and secondary crystal orientations can be adjusted so that they remain constant in the build-up direction.
  • the crystal orientation can be adjusted in such a way that it changes in a defined manner in the build-up direction.
  • the primary and the secondary crystal orientation can be adjusted in such a way that they change in a defined manner in the direction of build-up, e.g. B. continuously rotate and / or tilt. It should be noted here that the crystal orientation within the single crystal may change. As long as no large-angle grain boundaries occur, one continues to speak of a monocrystal or a "technical monocrystal".
  • the direction of expansion of the line-shaped area in successive layers is the same or rotated by an angle corresponding to a rotational symmetry of the crystal lattice.
  • the direction of extension of the line-shaped region in successive layers is preferably the same or rotated by 90°.
  • the primary crystal orientation can gradually be tilted in the z-direction, ie in the direction of build-up, as the single crystal grows, in that the direction of extension of the line-shaped region repeatedly remains the same in successive layers.
  • the crystal orientation in particular the primary and the secondary crystal orientation, can be kept constant in the z-direction, ie in the direction of construction or in the direction of growth of the single crystal, by the Extension direction of the line-shaped area is rotated in successive layers according to the rotational symmetry of the crystal lattice by, for example, 90 °.
  • the direction of the lateral movement of the line-shaped area is the same in successive layers or rotated by an angle corresponding to a rotational symmetry of the crystal lattice.
  • the direction of lateral movement of the line-shaped region in successive layers is the same for a cubic crystal lattice or rotated by 90°, 180° or 270°.
  • the primary crystal orientation is gradually tilted as the single crystal grows in the z-direction, i.e., in the build-up direction, in that the direction of extension of the line-shaped region and the direction of lateral movement of the line-shaped region repeatedly remain the same in successive layers.
  • the primary crystal orientation can be continuously tilted in the z-direction by 0.01° to 3° per layer, preferably by 0.1° to 2° per layer, particularly preferably by 0.5° to 1° per layer.
  • a total tilting angle of up to 45° relative to the z-direction can preferably be achieved.
  • a layer thickness of, for example, 50 ⁇ m and a tilting of 1° per layer a total tilting angle of 45° can be achieved during growth of the single crystal can be reached around 2,250 pm in the z-direction.
  • the crystal orientation in particular the primary and the secondary crystal orientation, is preferably kept constant in the z-direction, i.e. in the direction of construction or growth of the single crystal, by changing the direction of extension of the linear region and the direction of the lateral movement of the linear region in successive layers rotated an angle corresponding to a rotational symmetry of the crystal lattice.
  • the direction of extension of the line-shaped area and the direction of the lateral movement of the line-shaped area in successive layers are preferably rotated by 90° in each case in the case of a cubic crystal lattice.
  • the direction of the lateral movement of the line-shaped area is thus preferably rotated by 180° in the next but one layer, by 270° in the third next layer, by 360° in the fourth next layer, and so on.
  • This procedure is particularly advantageous for cubic crystal systems. This advantageously results in components with an almost exact alignment of the [100] direction in the z direction, for example with a maximum deviation of 1 to 2°. This means a significant improvement over conventional methods. In the case of casting processes, deviations of up to 15° must be tolerated.
  • Single crystal mosaicism means that the dendrites within the single crystal are not all aligned in the same way. In the xy plane, the orientation of the single crystal depends on the crystal-plastic properties of the material. For example, for nickel-base alloys, the [100] direction is rotated 45° with respect to the direction of extension of the line-shaped region. The single crystal selection takes place in the range of a few millimeters.
  • the direction of expansion and the direction of the lateral movement of the linear area are rotated by the same angular amount, preferably by 0.01° to 10°, in successive slices, in particular in immediately successive slices, or after a specific number of slices ° per layer, particularly preferably around 0.1 ° to 1 ° per layer.
  • the crystal orientation in particular the secondary crystal orientation
  • the crystal orientation to be rotated with respect to the x-y plane, ie the building plane, of the single crystal, preferably continuously by 0.01° to 10° per layer, preferably by 0.1° to 1° per layer , more preferably by 0.3° to 0.7° per layer.
  • the rotation of the single crystal is stress-induced.
  • the primary crystal orientation can be kept constant by additionally rotating the direction of extension of the line-shaped region and the direction of lateral movement of the line-shaped region in successive layers by an angle corresponding to a rotational symmetry of the crystal lattice.
  • the direction of extension of the line-shaped portion and the direction of lateral movement of the line-shaped portion thereto are in sequential order
  • layers are additionally rotated by 90°.
  • the direction of extension and the direction of lateral movement of the line-shaped area in successive slices are thus 90° + 0.01° to 90° + 10° per slice, particularly preferably 90° + 0.1° to 90° + 1° per shift rotated.
  • the direction of expansion of the linear area and/or the lateral movement of the linear area is varied during the build-up of the new layer.
  • the direction of the lateral movement and/or the magnitude of the lateral speed can be varied.
  • the direction of expansion of the line-shaped area and/or the lateral movement of the line-shaped area can be varied in the build-up direction.
  • the direction of the lateral movement and/or the magnitude of the lateral speed can also be varied.
  • the variation can be provided in the build-up direction in a concrete sequence of successive layers.
  • the variation can be provided in directly consecutive layers or after a specific number of layers.
  • a linear area is melted only in partial areas of the component.
  • monocrystalline and polycrystalline, in particular finely crystalline, areas are formed in the component manufactured.
  • monocrystalline and polycrystalline, in particular finely crystalline, areas are preferably produced next to one another.
  • a single-crystal region surrounded by a fine-crystal shell can be produced.
  • the monocrystalline regions are preferably each formed by a monocrystal according to the invention, ie by a monocrystal produced by the method according to the invention.
  • a turbine blade can be produced from a single crystal surrounded by a finely crystalline shell using the method according to the invention.
  • Such a turbine blade is advantageously characterized by locally adapted mechanical properties. This can be advantageous for fatigue behavior, for example.
  • a continuous change in the crystal orientation is produced in the component, preferably a continuous rotation around the direction of build-up and/or a continuous tilting with respect to the direction of build-up, preferably by 0.01° to 10° per layer, particularly preferably by 0 .1° to 1° per layer.
  • tilting with respect to the build-up direction relates to the primary crystal orientation and rotation around the build-up direction relates to the secondary crystal orientation.
  • the above mentioned Construction strategies can be adapted to the symmetry of the lattice in order to produce analogous effects.
  • a component comprising a single crystal or multiple single crystals with a precisely adjusted primary and/or secondary crystal orientation.
  • the component is preferably produced by the method according to the invention.
  • the primary and/or the secondary crystal orientation can be set in such a way that they are constant over the entire monocrystal or over the entire component or in sections.
  • the primary and/or the secondary crystal orientation can be set in such a way that they change, in particular change continuously, over the entire monocrystal or over the entire component or in sections.
  • the component is preferably a turbine blade.
  • the turbine blade is preferably installed in a gas turbine.
  • the gas turbine is preferably land or air based.
  • a component according to the invention in particular a turbine blade according to the invention, advantageously has locally adapted mechanical properties.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a component being produced with a linear area
  • Fig. 2 shows a schematic drawing of temperature curves over time
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a formation of a single-crystal component
  • Fig. 4 is an experimental example of formation of a single crystal device
  • Fig. 5 is a schematic drawing with pole figures for describing the
  • the component 1 shows a schematic representation of a component 1 in the open position with a linear area 2.
  • the component 1 is built up in layers from a metallic material in a construction space within a vacuum chamber.
  • powder layers made of the metallic material are preferably applied as a powder bed using a doctor blade, heated by multiple scanning with an electron beam and selectively melted in the linear region 2 .
  • the thickness of the new layer is 50 ⁇ m, for example.
  • the power of the electron beam is 1 kW, for example.
  • the installation space has an xy plane as the construction level and a z direction as the construction direction.
  • the dimension of the construction space is, for example, 300 mm in the construction plane and 300 mm in the construction direction.
  • the metallic material is melted in the linear area 2 by selective electron beam melting.
  • the linear region 2 has a length L along its direction of extension and a width B and a depth D perpendicular to its direction of extension.
  • the depth D of the line-shaped area is 500 ⁇ m, for example.
  • the line-shaped area 2 thus also penetrates into the ten layers produced immediately before the new layer.
  • the width B of the linear area is 1.5 mm, for example.
  • the length L of the line-shaped area is 15 mm, for example.
  • the linear area 2 is surrounded by a heat-affected zone 3 .
  • the metallic material in the heat-affected zone 3 has not melted, more precisely, in part not yet melted, in part no longer melted.
  • a temperature field generated by the electron beam acts in particular on the already solidified metallic material in layers produced immediately before the new layer.
  • the line-shaped area 2 is moved at a lateral speed vi at perpendicular to its direction of extension.
  • the lateral velocity vi at is 5 mm/s, for example.
  • the melting and subsequent solidification of the metallic material causes plastic deformation of the metallic material in the course of thermally induced mechanical stresses.
  • the mechanical stresses are generated in a targeted manner by adjusting the direction of expansion, speed and temperature of the line-shaped area.
  • the mechanical stresses exceed the yield point of the metallic material, particularly in the linear area 2 and/or in the heat-affected zone 3 .
  • the mechanical stresses have due to the linear configuration of the linear area on a preferred direction.
  • the mechanical stress field is therefore anisotropic. This anisotropy leads to the production of a single crystal.
  • the crystal orientation in particular the primary and secondary crystal orientation, can be set precisely by the mechanical stress field generated in a targeted manner by setting the direction of expansion, speed and temperature of the line-shaped area.
  • the construction temperature is named TB.
  • the construction level i.e. in the xy plane
  • the symmetry is broken with regard to the mechanical stress and the plastic expansion. This symmetry breaking, coupled with the property of crystals to orient themselves in specific directions through plastic deformation, referred to as texture formation, ultimately leads to the controlled orientation of each individual columnar crystal and ultimately the generation of the single crystal.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of formation of a single crystal device. It visualizes the alignment of individual crystallites at different heights when building a component.
  • the direction of construction 4 is perpendicular to the plane of the paper, ie it runs in the z-direction.
  • the direction of extension of the line-shaped region 2 lies in the plane of the paper and alternates from layer to layer in a first layer parallel to the x-axis, in a second layer parallel to the y-axis, and so on.
  • the direction of movement of the linear region 2 moving with the lateral velocity vi at perpendicular to its direction of extension changes in the process from layer to layer by 90° clockwise.
  • the primary crystal orientation is already set precisely after a height of a few 100 pm: the individual crystallites are aligned in the z-direction, ie in the [001]-direction. At 1 mm, the secondary crystal orientation is still isotropic. As the overall height increases, each individual crystallite is gradually rotated to an angular position of 45° with respect to the x-axis, which means that the secondary crystal orientation is also set precisely. Between a height of 5 mm and 15 mm, the large-angle grain boundaries (shown with solid lines) disappear. Only small-angle grain boundaries (shown with dashed lines) remain. The crystallites are therefore finally completely fused into a single crystal at a height of 15 mm.
  • FIG. 4 shows an experimental example of formation of a single crystal component 1.
  • the specific example is a single crystal nickel-based alloy of the type CMSX-4. It is manufactured by selective electron beam melting.
  • a section of the rod-shaped component 1 is shown in the lower part of FIG.
  • the construction direction 4 represented by an arrow goes from right to left.
  • the gray values show different crystal orientations. High-angle grain boundaries are denoted by black lines.
  • three excerpts from the rod-shaped component are shown enlarged by way of example.
  • the enlarged section shown on the right refers to the first 2 mm in direction 4. Many different crystal orientations with large-angle grain boundaries in between can still be observed.
  • the enlarged detail shown in the middle relates to a height of about 5 to 7 mm in direction 4 of construction.
  • the crystal orientation has already adjusted in larger areas.
  • the large-angle grain boundaries also dissolve progressive height more and more.
  • the enlarged detail shown on the left refers to a height of about 22 to 24 mm in direction 4.
  • the crystal orientation has largely aligned.
  • the high-angle grain boundaries are mostly resolved. The disappearance of the high-angle grain boundaries indicates the merging to form a single crystal.
  • Fig. 5 shows a schematic drawing with pole figures for describing the formation (a) of a single-crystal device 1 and the rotation (b) of the secondary crystal orientation and the tilting (c) of the primary crystal orientation of the single-crystal device 1.
  • a left-hand column is a schematically rod-shaped component 1 shown.
  • the build-up direction 4 runs from bottom to top in the z-direction, represented by a vertical arrow in the figure.
  • a pole figure is shown for each of four different heights. The four different heights are each marked by a horizontal arrow.
  • the single crystal selection is shown, starting from an isotropic distribution in the lowest pole figure up to an expression of precisely defined positions in the top pole figure.
  • a single-crystal state is already precisely set. Starting from this single-crystal state, the secondary crystal orientation can be changed in a targeted manner. The crystal lattice can therefore be rotated in the xy plane. This is visualized in column (b) using four additional pole figures.
  • the bottom pole figure corresponds to the top pole figure of column (a).
  • To rotate the crystal lattice the scanning direction of the electron beam and thus the direction of expansion of the linear region 2 in the xy plane is rotated by 0.5°+90° per slice, for example.
  • the secondary crystal orientation in column (b) is successively rotated by 45° up to the top pole figure.
  • component 1 Even if the sections in which the component 1 does not yet have a monocrystalline state in an initial phase of the production process are referred to as component 1, it goes without saying that preferably only the sections after the monocrystal selection finally form the component 1. For this purpose, the sections from the initial phase of the manufacturing process can be separated from the component 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) durch Schichtaufbau, indem eine Vielzahl von Kristalliten eines metallischen Materials zu einem Einkristall vereinigt wird. Der Einkristall entsteht dabei durch thermo- mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung. Das metallische Material wird während des Aufbaus einer neuen Schicht erhitzt, so dass das metallische Material in einem linienförmigen Bereich (2) aufgeschmolzen ist. Der linienförmige Bereich (2) wird zum Aufbau der neuen Schicht bewegt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Schichtaufbau
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Schichtaufbau. Das Bauteil umfasst zumindest einen Einkristall. Die konventionelle Herstellung von Einkristallen basiert in der Regel auf epitaktischem Kristallwachstum ausgehend von einem Impfkristall. Das kontrollierte einkristalline Wachstum kann dann entweder nach dem Czochralski-Verfahren durch Tiegelziehen, durch Zonenschmelzen oder nach dem Bridgman-Verfahren durch gerichtete Erstarrung erfolgen. Die Kristallorientierung des Impfkristalls bestimmt dabei die Kristallorientierung des resultierenden Einkristalls.
Die Europäische Patentschrift EP 1 495 166 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen metallischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat mittels Schichtaufbau durch epitaktisches Aufwachsen ausgehend von einem beispielsweise pulverförmigen Material. Das Substrat ist dabei insbesondere ein zu reparierendes oder zu rekonditionierendes Werkstück. Die Europäische Patentanmeldung EP 3459654 A1 betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen metallischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat unter Beibehaltung der einkristallinen Mikrostruktur.
Das beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 102014 113806 A1 bekannte Bridgman-Verfahren wird zur Herstellung von einkristallinen Turbinenschaufeln aus einer Nickelbasislegierung verwendet. Dabei wird ein Einkristall durch Selektieren genau eines Korns realisiert. Dazu werden aus einer sehr hohen Anzahl von Keimkristallen durch gerichtete Erstarrung durch Kornselektion Kristalle selektiert, deren Kristallorientierung mit der Erstarrungsrichtung nahezu zusammenfällt. Die Erstarrungsrichtung entspricht bei kubischen Kristallsystemen der <001>-Richtung der Kristalle. Nach dieser ersten Selektion über eine Länge von einigen Zentimetern erfolgt eine weitere, geometrische Selektion mit Hilfe eines Spiralselektors. Durch den Spiralselektor wird die sekundäre Kristallorientierung der Einkristalle zufällig festgelegt.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass damit keine genauere Kristall orientierung eingestellt werden kann. Die Kristallorientierung in Erstarrungsrichtung kann einige Grad von der gewünschten Kristallorientierung abweichen. Die sekundäre Kristallorientierung kann überhaupt nicht beeinflusst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem die Kristallorientierung von Einkristallen optimiert werden kann. Dadurch soll insbesondere die Qualität bei der Herstellung von Einkristallen verbessert werden. Weiterhin soll ein Bauteil mit einem Einkristall mit kontrolliert hergestellter Kristallorientierung bereitgestellt und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 und durch ein Bauteil gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dazu jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Bauteil durch Schichtaufbau hergestellt, indem eine Vielzahl von Kristalliten eines metallischen Materials zu einem Einkristall vereinigt wird. Der Einkristall entsteht dabei durch thermo mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung. Das metallische Material wird während des Aufbaus einer neuen Schicht erhitzt, so dass das metallische Material in einem linienförmigen Bereich aufgeschmolzen ist. Der linienförmige Bereich wird zum Aufbau der neuen Schicht bewegt.
Unter dem Begriff „thermo-mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung“ wird eine plastische Verformung des metallischen Materials verstanden, welche durch beim Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen, und anschließendem Abkühlen, insbesondere Erstarren, des metallischen Materials auftretende mechanische Spannungen verursacht wird. Beim Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen und anschließendem Abkühlen, insbesondere Erstarren, kann es zu thermischen Dehnungen kommen, welche die mechanischen Spannungen verursachen. Die mechanischen Spannungen werden vorzugsweise durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs und/oder dessen Umgebung gezielt erzeugt. Die mechanischen Spannungen übersteigen vorzugsweise die Fließgrenze des metallischen Materials. Die mechanischen Spannungen weisen vorzugsweise aufgrund der linienförmigen Ausgestaltung des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs eine Vorzugsrichtung auf. Es wird also ein anisotropes mechanisches Spannungsfeld erzeugt. Dadurch resultiert eine anisotrope plastische Verformung. Diese Anisotropie führt vorzugsweise zur Erzeugung eines Einkristalls. Das metallische Material wird dabei abschnittsweise nach und nach, das heißt sukzessive, der plastischen Verformung unterworfen. Das Bauteil wird dabei schichtweise in einer Aufbaurichtung aufgebaut. Auch die einzelnen Schichten werden vorzugsweise nach und nach aufgebaut, indem sie vom aufgeschmolzenen linienförmigen Bereich durchlaufen werden. Vorzugsweise durch das durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs gezielt erzeugte thermo-mechanische Spannungsfeld kann die Kristallorientierung, insbesondere die primäre (in Aufbaurichtung) und sekundäre (in der Schichtebene) Kristallorientierung, genau eingestellt werden.
Die mechanischen Spannungen können Druckspannungen oder Zugspannungen sein.
Die mechanischen Spannungen treten vorzugsweise im metallischen Material einer neuen Schicht und dem bereits im Zuge des schichtweisen Aufbaus zuvor erstarrten metallischen Materials, insbesondere im Bereich von bis zu 5 mm unterhalb der neuen Schicht, auf. Vorzugsweise weist auch das unmittelbar unterhalb der neuen Schicht, insbesondere bis zu 5 mm darunter, befindliche, bereits erstarrte Material mechanische Spannungen auf.
Vorzugsweise ist das Bauteil im Zuge einer schmelzmetallurgisch geschaffenen stoffschlüssigen Verbindung einer mechanischen Einspannung unterworfen. Dadurch werden mechanische Spannungen nicht durch ein Ausweichen des bereits gewachsenen Einkristalls abgebaut und man spricht in diesem Zusammenhang von einer Selbsteinspannung. Die mechanischen Spannungen entstehen insbesondere durch das Zusammenwirken von thermischer Dehnung und Selbsteinspannung.
Vorzugsweise wird das Bauteil nach und nach auf einer Bodenplatte aufgebaut. Die Bodenplatte kann aus dem gleichen metallischen Material wie das Bauteil gebildet sein. Alternativ kann die Bodenplatte aus einem anderen metallischen Material gebildet sein.
Vorzugsweise wird das Bauteil mit einer von der Bodenplatte verschiedenen Kristallstruktur aufgebaut. Das Bauteil unterscheidet sich also vorzugsweise in seiner Kristallstruktur von der Bodenplatte.
Das Bauteil kann nach seiner Fertigstellung von der Bodenplatte getrennt werden. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich ein Anfangsbereich des Bauteils abgetrennt, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist.
Alternativ dazu kann das Bauteil nach und nach ausgehend von einem Pulverbett aufgebaut werden. Vorzugsweise wird auch in dieser Ausführungsform nach der Fertigstellung des Bauteils ein Anfangsbereich des Bauteils abgetrennt, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist.
In Abkehr zum Stand der Technik wird das Bauteil also vorzugsweise nicht ausgehend von einem einkristallinen Substrat hergestellt. Das Bauteil wird vorzugsweise auf einer polykristallinen Bodenplatte oder auf einem Pulverbett aufgebaut. Das Bauteil wird vorzugsweise nach seiner Fertigstellung von der Bodenplatte und/oder von einem Anfangsbereich des Bauteils, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist, getrennt. Weiterhin kann das Bauteil so schwach mit der Bodenplatte verbunden aufgebaut werden, dass das Bauteil einfach von der Bodenplatte abgenommen werden kann. Dazu kann das Bauteil beispielsweise an die Bodenplatte angesintert sein.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Begriff „linienförmiger Bereich“ auf den anspruchsgemäß aufgeschmolzenen linienförmigen Bereich. Eine Wiederholung des Begriffs „aufgeschmolzen“ wird dabei zumeist vermieden. Der linienförmige Bereich weist eine Ausdehnungsrichtung auf. Vorzugsweise entstehen wesentlich stärkere mechanische Spannungen aufgrund der Selbsteinspannung in dieser Ausdehnungsrichtung als senkrecht dazu in der Ebene der neuen Schicht. Vorzugsweise wird der linienförmige Bereich senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegt. Entsprechend entstehen wesentlich stärkere mechanische Spannungen aufgrund der Selbsteinspannung in der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs als in der Bewegungsrichtung des linienförmigen Bereichs.
Das mechanische Spannungsfeld ist daher anisotrop. Diese Anisotropie führt zur anisotropen plastischen Verformung und zur Erzeugung eines Einkristalls. Durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und des damit erzeugten mechanischen Spannungsfelds kann daher vorzugsweise die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und sekundäre Kristallorientierung, genau eingestellt werden. Bei der Kristallorientierung wird im Rahmen dieser Patentanmeldung zwischen der primären und der sekundären Kristallorientierung unterschieden. Zur Erklärung der primären und der sekundären Kristallorientierung wird ein Bauraum mit einer x-y-Ebene als Bauebene und einer z-Richtung als Aufbaurichtung angenommen. Die primäre Kristallorientierung gibt dabei die Ausrichtung des Einkristalls bzw. einer Achse des Einkristalls gegenüber der z- Richtung an. Der Einkristall ist vorzugsweise in z-Richtung ausgerichtet, kann aber auch gegenüber der z-Richtung verkippt sein. Die sekundäre Kristallorientierung steht für eine konkrete Drehposition des Kristallgitters um die Achse des Einkristalls. Bei einer Ausrichtung des Einkristalls in z-Richtung bezeichnet die sekundäre Kristallorientierung die konkrete Drehposition des Kristallgitters um die z-Achse oder anders ausgedrückt die Lage des Kristallgitters in der x-y-Ebene.
Vorzugsweise ist der linienförmige Bereich von einer Wärmeeinflusszone umgeben. Das metallische Material ist in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise nicht aufgeschmolzen. Genauer gesagt ist das metallische Material vorzugsweise in der Wärmeeinflusszone zum Teil noch nicht aufgeschmolzen, zum Teil nicht mehr aufgeschmolzen. Die Wärmeeinflusszone wird vorzugsweise zusammen mit dem linienförmigen Bereich zum Aufbau der neuen Schicht bewegt. In der Wärmeeinflusszone bestehen vorzugsweise hohe Temperaturgradienten. Dadurch kommt es in der Wärmeeinflusszone zu besonders starken thermisch induzierten mechanischen Spannungen. Die mechanischen Spannungen übersteigen in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise die Fließgrenze. Daher kommt es in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise zu einer plastischen Verformung des metallischen Materials. Die Form der Wärmeeinflusszone entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Form des linienförmigen Bereichs. Die mechanischen Spannungen in der Wärmeeinflusszone weisen daher auch eine Vorzugsrichtung auf. Die plastische Verformung in der Wärmeeinflusszone ist also auch anisotrop. Die Wärmeeinflusszone trägt also vorzugsweise zur Erzeugung eines in seiner Kristallorientierung, vorzugsweise in seiner primären und sekundären Kristallorientierung, genau eingestellten Einkristalls bei.
Vorzugsweise wird im Bauraum ein Temperaturfeld erzeugt. Ein Wärmeeintrag kann dabei unmittelbar im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schicht und/oder in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmeeintrag auf den gesamten Bauraum insbesondere von außen her erfolgen.
Das metallische Material kann während des Aufbaus der neuen Schicht unmittelbar im linienförmigen Bereich auf eine erste Temperatur und/oder einen ersten Temperaturbereich erhitzt werden. Darunter wird verstanden, dass ein Wärmeeintrag unmittelbar im linienförmigen Bereich erfolgt.
Vorzugsweise wird das metallische Material in der Wärmeeinflusszone auf eine zweite Temperatur und/oder einen zweiten Temperaturbereich erhitzt. Die erste Temperatur bzw. der erste Temperaturbereich ist vorzugsweise höher als die zweite Temperatur bzw. der zweite Temperaturbereich.
Vorzugsweise wird das metallische Material während des Aufbaus der neuen Schicht in der gesamten neuen Schicht zumindest auf eine dritte Temperatur und/oder einen dritten Temperaturbereich erhitzt. Die dritte Temperatur wird auch als Bautemperatur bezeichnet. Die zweite Temperatur bzw. der zweite Temperaturbereich ist vorzugsweise höher als die dritte Temperatur bzw. der dritte Temperaturbereich.
Zum Erhitzen des metallischen Materials in der gesamten neuen Schicht kann auch ein Wärmeeintrag unmittelbar auf die neue Schicht außerhalb des linienförmigen Bereichs erfolgen. Vorzugsweise ist der unmittelbar im linienförmigen Bereich erfolgende Wärmeeintrag pro Einheitsfläche größer als der unmittelbar auf die neue Schicht außerhalb des linienförmigen Bereichs erfolgende Wärmeeintrag pro Einheitsfläche.
Eine Tiefe des linienförmigen Bereichs kann auf die neue Schicht begrenzt sein. Vorzugsweise durchgreift der linienförmige Bereich die neue Schicht und dringt in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schicht und/oder in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten ein. Die Tiefe des linienförmigen Bereichs erstreckt sich vorzugsweise über die neue Schicht und auf eine bis zehn, besonders bevorzugt auf fünf bis zehn, unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schichten. Dadurch wird das metallische Material vorzugsweise mehrmals einem Aufschmelzen und Erstarren unterworfen.
In der Wärmeeinflusszone wirkt das Temperaturfeld auch auf bereits erstarrtes metallisches Material in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten. Auch diese Schichten sind mechanisch verspannt. Das heißt das mechanische Spannungsfeld erstreckt sich auch auf die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht bzw. auf die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten. Durch dieses bereits vorhandene anisotrope Spannungsfeld kann die Erzeugung des Einkristalls begünstigt werden. Die mechanischen Spannungen können die Fließgrenze insbesondere im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten übersteigen. Daher kann es im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten zu plastischen Verformungen kommen, die aufgrund der Anisotropie der mechanischen Spannungen vorzugsweise zur Erzeugung eines in seiner Kristallorientierung, vorzugsweise in seiner primären und sekundären Kristallorientierung, genau eingestellten Einkristalls beitragen.
Das metallische Material im linienförmigen Bereich kann während des Aufbaus der neuen Schicht mit einer oder mehreren zeitlichen Unterbrechungen aufgeschmolzen sein. Vorzugsweise ist das metallische Material im linienförmigen Bereich während des Aufbaus der neuen Schicht fortwährend aufgeschmolzen.
Die Kristallite weisen vorzugsweise eine Größe in einem Bereich von 5 pm bis 500 pm, bevorzugt in einem Bereich von 20 pm bis 200 pm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 40 pm bis 150 pm auf. Vorzugsweise werden mindestens 100, weiter vorzugsweise mindestens 100.000, besonders vorzugsweise mindestens 100.000.000, zu einer Schicht des Einkristalls vereinigt. Vorzugsweise werden mindestens 1.000, weiter vorzugsweise mindestens 1.000.000, besonders vorzugsweise mindestens 1.000.000.000, Kristallite zu dem Einkristall vereinigt. Das Verfahren wird vorzugsweise in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer durchgeführt. Die Kammer kann evakuiert sein und/oder mit Inertgas gefüllt sein. Dadurch können die Materialeigenschaften besonders gut kontrolliert werden. Außerdem wird das Bauteil vor unerwünschter Oxidation geschützt.
Das Bauteil kann auch mit mehreren erfindungsgemäßen Einkristallen hergestellt werden. Das Bauteil kann zusätzlich zu einem oder mehreren Einkristallen polykristalline, insbesondere feinkristalline Bereiche aufweisen.
Das Bauteil kann insbesondere ein thermisch und/oder mechanisch hoch belastetes Bauteil, vorzugsweise eine Turbinenschaufel sein. Die Turbinenschaufel kann für land- oder luftbasierte Turbinen, insbesondere Gasturbinen oder Wasserturbinen bereitgestellt werden. Die Turbine kann stationär oder mobil verwendet werden. Weiterhin kann die Turbinenschaufel in Antrieben, insbesondere in Triebwerken, oder in Generatoren eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise wird die Kristallorientierung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Einkristalle durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs optimiert. Die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise sehr exakt eingestellt werden. Dadurch wird die Qualität bei der Herstellung der Einkristalle verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Bauteile für Hochtemperaturanwendungen, z.B. mit Nickelbasislegierungen, elektrische und/oder thermische Anwendungen, z.B. mit Reinkupfer oder Kupferlegierungen, oder funktionale Anwendungen, insbesondere mit Formgedächtnislegierungen, z.B. Nitinol.
Einkristalline und polykristalline Bereiche können im Bauteil durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise sehr flexibel miteinander kombiniert werden.
Vorteilhafterweise können die mechanischen Eigenschaften eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteils, insbesondere einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Turbinenschaufel, lokal angepasst werden. Die lokale Anpassung kann dabei einerseits durch ein genaues Einstellen der Kristallorientierung, insbesondere die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung, einkristalliner Bereiche in der Turbinenschaufel erfolgen. Andererseits können diese einkristallinen Bereiche in der Turbinenschaufel genau definiert von feinkristallinen Bereichen umgeben sein. Dadurch wird vorteilhafterweise einem Versagen des Materials der Turbinenschaufel vorgebeugt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich vorteilhafterweise einkristalline Bauteile hersteilen, deren Kristallorientierung an den Belastungsfall genau angepasst ist. Insbesondere kann die Kristallorientierung an den Verlauf von Spannungslinien und/oder Kraftlinien im Bauteil angepasst sein. Zudem kann die Kristallorientierung selbst im Bauteil kontinuierlich den lokalen Lasten angepasst werden.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reparatur und/oder Ergänzung von einkristallinen Bauteilen genutzt werden. Beispielsweise kann eine abgebrochene Spitze eines einkristallinen Bauteils durch das erfindungsgemäße Verfahren wiederhergestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der linienförmige Bereich entlang seiner Ausdehnungsrichtung eine Länge und senkrecht dazu eine Breite auf. Das Verhältnis aus Länge und Breite beträgt vorzugsweise zumindest 2:1 , bevorzugt zumindest 5:1 und besonders bevorzugt zumindest 20:1. Durch das Vorsehen eines derartigen Verhältnisses aus Länge und Breite des linienförmigen Bereichs wird vorteilhafterweise eine besonders ausgeprägte Anisotropie im mechanischen Spannungsfeld erzeugt. Diese besonders ausgeprägte Anisotropie ermöglicht ein besonders genaues Einstellen der Kristallorientierung des herzustellenden Einkristalls.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der linienförmige Bereich jeweils senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung eine Breite und eine Tiefe auf. Das Verhältnis aus Breite und Tiefe liegt in einem Bereich von 1:2 bis 10:1, vorzugsweise in einem Bereich von 2:1 bis 4:1. Durch das Vorsehen eines derartigen Verhältnisses aus Breite und Tiefe des linienförmigen Bereichs wird vorteilhafterweise eine besonders hohe Qualität der hergestellten Einkristalle erzielt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tiefe des linienförmigen Bereichs 50 pm bis 1000 pm, vorzugsweise 150 pm bis 500 pm. Vorzugsweise ist die Tiefe des linienförmigen Bereichs so bemessen, dass sich der linienförmige Bereich nicht nur innerhalb der neuen Schicht erstreckt, sondern zumindest teilweise in eine oder mehrere der unmittelbar zuvor hergestellten Schichten eindringt. Dadurch kann die Qualität der hergestellten Einkristalle weiter erhöht werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil schichtweise durch lokales Aufschmelzen einer Pulverschicht aus dem metallischen Material und/oder durch lokales Aufbringen des metallischen Materials hergestellt. Das Bauteil wird also vorzugsweise durch eine additive Fertigung hergestellt. Die Pulverschicht kann als Schüttung mit Hilfe einer Rakel bereitgestellt werden. Das lokale Aufbringen des metallischen Materials kann beispielsweise durch Bereitstellen eines Drahts oder eines Pulvers nach dem Verfahren der direkten Energieabscheidung erfolgen. Dieses Verfahren ist auch unter der englischen Bezeichnung Direct Energy Deposition und der Abkürzung DED bekannt. Dabei werden der Draht und/oder das Pulver durch eine fokussierte Wärmequelle, beispielsweise einen Laser, einen Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen, geschmolzen. Die Wärmequelle ist vorzugsweise an einem Gantry-System oder einem Roboterarm angebracht. Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Reparatur von einkristallinen Bauteilen vorteilhaft.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das metallische Material im linienförmigen Bereich durch einen Laser und/oder einen Elektronenstrahl aufgeschmolzen.
Vorzugsweise wird das metallische Material während des Aufbaus der neuen Schicht in der gesamten neuen Schicht durch den Laser und/oder den Elektronenstrahl erhitzt. Dazu überstreicht der Laser und/oder Elektronenstrahl vorzugsweise periodisch die neue Schicht. Der Laser und/oder Elektronenstrahl kann die neue Schicht dabei mehrmals in vorgegebenen Zeitabschnitten überstreichen. Im linienförmigen Bereich wird dabei vorzugsweise die Intensität oder die Verweildauer des Lasers und/oder Elektronenstrahls derart gewählt, dass es zu einem Schmelzen des metallischen Materials kommt.
Das Verfahren wird vorzugsweise nach den bekannten Verfahren des selektiven Laserschmelzens, das auch unter den englischen Bezeichnungen Selective Laser Melting oder Laser Powder Bed Fusion und den Abkürzungen SLM, LPBF, L-PBF oder PBF-L bekannt ist, und/oder des selektiven Elektronenstrahlschmelzens durchgeführt, das auch unter den englischen Bezeichnungen Selective Electron Beam Melting oder powder bed fusion electron beam und den Abkürzungen SEBM oder PBF-EB bekannt ist. Bei diesen Verfahren wird das Bauteil schichtweise in einem Pulverbett aufgebaut.
Für das selektive Laserschmelzen wird vorzugsweise das Bauteil in einem Bauraum innerhalb einer Prozesskammer schichtweise mittels eines Pulverbetts aufgebaut. Dazu werden mit einer Rakel Pulverschichten aus dem metallischen Material aufgetragen, mit einem Laser geheizt und selektiv geschmolzen. Das metallische Material kann durch mehrfaches Rastern mit dem Laser so stark erhitzt werden, dass ein selektives Aufschmelzen erfolgt. Vorzugsweise wird der Bauraum durch Heizelemente auf eine hinreichend hohe Temperatur gebracht, so dass das metallische Material durch den Laser selektiv geschmolzen werden kann. Die dazu erforderliche Temperatur kann im Bauraum durch Heizelemente von unten, der Seite oder von oben bereitgestellt werden. Von oben kann alternativ oder zusätzlich durch Strahlung, z.B. Infrarotstrahlung, geheizt werden. Die Leistung des Lasers liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 5.000 W. Das selektive Laserschmelzen wird vorzugsweise unter der Atmosphäre eines Schutzgases durchgeführt. Das Schutzgas umfasst vorzugsweise Argon, Helium und/oder Stickstoff. Alternativ dazu kann das selektive Laserschmelzen im Vakuum durchgeführt werden. Der Bauraum innerhalb der Prozesskammer weist vorzugsweise als x-y-Ebene eine Bauebene und in z-Richtung eine Höhe auf. Die Dimension des Bauraums beträgt vorzugsweise 100 bis 500 mm in der Bauebene und/oder 100 bis 1000 mm in der Höhe. Der Laser wird vorzugsweise über aktorgesteuerte Spiegel gesteuert. Die durch den Laser in den Bauraum und insbesondere in den linienförmigen Bereich, in die Wärmeeinflusszone und/oder in die neue Schicht eingebrachte Leistung wird vorzugsweise durch dessen Scangeschwindigkeit und/oder Intensität moduliert. Bei gepulsten Lasern kann weiterhin die Pulsfrequenz variiert werden.
Besonders bevorzugt wird das selektive Elektronenstrahlschmelzen. Vorzugsweise wird das Bauteil in einem Bauraum innerhalb einer Vakuumkammer schichtweise mittels eines Pulverbetts aufgebaut. Dazu werden mit einer Rakel Pulverschichten aufgetragen, durch mehrfaches Rastern mit einem Elektronenstrahl geheizt und dann selektiv geschmolzen. Die Leistung des Elektronenstrahls liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 40 kW. Der Bauraum innerhalb der Vakuumkammer weist vorzugsweise als x-y-Ebene eine Bauebene und in z-Richtung eine Höhe auf. Die Dimension des Bauraums beträgt vorzugsweise 100 bis 500 mm in der Bauebene und/oder 100 bis 1000 mm in der Höhe. Der Elektronenstrahl wird vorzugsweise mittels Magnetfelder gesteuert. Der Elektronenstrahl erreicht vorzugsweise Geschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s. Die durch den Elektronenstrahl in den Bauraum und insbesondere in den linienförmigen Bereich, in die Wärmeeinflusszone und/oder in die neue Schicht eingebrachte Leistung wird vorzugsweise durch dessen Scangeschwindigkeit und/oder Intensität moduliert.
Die Flexibilität des Elektronenstrahls erlaubt es vorteilhafterweise, ein Temperaturfeld und einen Temperatur-Zeit-Verlauf genau einzustellen. Dadurch kann der linienförmige Bereich besonders einfach und flexibel erzeugt werden. Insbesondere können besonders feine und/oder dünne Strukturen für den linienförmigen Bereich erzeugt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich das Bauteil und/oder ein das Bauteil enthaltender Bauraum erhitzt.
Das Bauteil und/oder der Bauraum kann auch durch den Laser und/oder den Elektronenstrahl erhitzt werden. Das Erhitzen des Bauteils und/oder des Bauraums kann dabei indirekt aus dem Erhitzen der neuen Schicht und/oder des linienförmigen Bereichs resultieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauteil und/oder der Bauraum durch eine externe Heizung erhitzt werden. Die externe Heizung kann durch zusätzliche Heizeinheiten, insbesondere einem oder mehreren Infrarotstrahlern, einer oder mehreren induktiven Heizeinheiten und/oder einer oder mehreren Widerstandsheizeinheiten, realisiert sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das metallische Material, das Bauteil und/oder der Bauraum auf eine Temperatur im Bereich von 300°C bis 1200°C erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 700°C bis 1200°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 900°C bis 1100°C. Insbesondere bei der Verwendung von Nickel basislegierungen werden Temperaturen im Bereich von 900°C bis 1100°C bevorzugt.
Die Höhe der mechanischen Spannungen ist von der Wahl des metallischen Materials und von der Temperatur des metallischen Materials und/oder des Bauteils abhängig. Die mechanischen Spannungen werden durch plastische Dehnung bis zur Fließgrenze abgebaut. Die Fließgrenze selbst hängt von der Temperatur ab. Das Verfahren wird vorzugsweise so eingestellt, dass in jeder Schicht anisotrope plastische Dehnungen von 0,02 bis 3 %, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1 %, im Material eingebracht werden. Vorteilhafterweise führen die anisotropen plastischen Dehnungen nach und nach durch Texturbildung zur Bildung eines Einkristalls.
Für Nickelbasislegierungen liegen die Fließspannungen bei typischen Arbeitstemperaturen von 700°C bis 1200°C zwischen 1000 MPa und 5 MPa. Vorteilhaft ist es, die thermische Schrumpfung möglichst komplett plastisch abzubauen. Dazu ist die Temperatur des metallischen Materials und/oder des Bauteils vorzugsweise so hoch, dass die Fließgrenze des metallischen Materials klein im Vergleich zu den thermomechanischen Spannungen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schichtaufbau entlang einer Aufbaurichtung. Dabei werden vorzugsweise Schichten mit Dicken im Bereich zwischen 10 pm und 500 pm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 30 pm und 100 pm erzeugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das metallische Material aus einer Nickelbasislegierung, Nickeltitanlegierung und/oder Kupferlegierung gebildet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der linienförmige Bereich unter Beibehaltung seiner Ausdehnungsrichtung einer Lateralbewegung senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung mit einer Lateralgeschwindigkeit viat unterworfen. Die Lateralgeschwindigkeit viat beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm/s und 100 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm/s.
Die Länge des linienförmigen Bereichs kann während dieser Bewegung variieren. Vorzugsweise wird die Länge des linienförmigen Bereichs in Abhängigkeit einer Geometrie des herzustellenden Bauteils variiert.
Die Lateralgeschwindigkeit kann zumindest zeitweise konstant sein. Vorzugsweise ist die Lateralgeschwindigkeit beim Beginn einer neuen Schicht gleich null, solange bis das metallische Material im linienförmigen Bereich aufgeschmolzen ist. Beim Durchlaufen der neuen Schicht wird die Lateralgeschwindigkeit vorzugsweise auf einen konstanten Wert erhöht. Vor dem Fertigstellen der neuen Schicht kann die Lateralgeschwindigkeit wieder erniedrigt werden und vorzugsweise null erreichen, während das metallische Material im linienförmigen Bereich erstarren gelassen wird.
In besonderen Ausgestaltungen der Erfindung kann ein kurzzeitiges komplettes Erstarren des metallischen Materials im linienförmigen Bereich während des Aufbaus einer neuen Schicht vorgesehen sein. Daraufhin kann das metallische Material an gleicher Stelle oder an einer anderen Stelle zur Schaffung des linienförmigen Bereichs wieder aufgeschmolzen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Kristallorientierung des Einkristalls durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung und Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten definiert eingestellt. Vorzugsweise wird die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, definiert eingestellt. Die Kristallorientierung kann dabei so eingestellt werden, dass sie in Aufbaurichtung konstant bleibt. Insbesondere können die primäre und die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie in Aufbaurichtung konstant bleiben. Alternativ kann die Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie sich in Aufbaurichtung definiert verändert. Insbesondere können die primäre und die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie sich in Aufbaurichtung definiert verändern, z. B. kontinuierlich drehen und/oder verkippen. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Kristallorientierung innerhalb des Einkristalls durchaus ändern darf. Solange dabei keine Großwinkelkorngrenzen auftreten, spricht man weiterhin von einem Einkristall oder einem „technischen Einkristall“.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten gleich oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht. Vorzugsweise ist die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter gleich oder um 90° gedreht.
Die primäre Kristallorientierung kann nach und nach beim Wachstum des Einkristalls in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung, verkippt werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten wiederholt gleichbleibt.
Die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, kann in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung bzw. in Wachstumsrichtung des Einkristalls, konstant gehalten werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten entsprechend der Rotationssymmetrie des Kristallgitters um beispielsweise 90° gedreht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten gleich oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht. Vorzugsweise ist die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter gleich oder um 90°, 180° oder 270° gedreht.
Vorzugsweise wird die primäre Kristallorientierung nach und nach beim Wachstum des Einkristalls in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung, verkippt, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten wiederholt gleichbleiben.
Die primäre Kristallorientierung kann in z-Richtung kontinuierlich um 0,01° bis 3° pro Schicht, vorzugsweise um 0,1° bis 2° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,5° bis 1° pro Schicht verkippt werden. Durch wiederholtes Ausführen des Verkippens in aufeinanderfolgenden Schichten kann vorzugsweise ein gesamter Verkippwinkel von bis zu 45° gegenüber der z-Richtung erreicht werden Bei einer Schichtdicke von beispielsweise 50 pm und einer Verkippung von 1° pro Schicht kann ein gesamter Verkippwinkel von 45° bei einem Wachstum des Einkristalls um 2.250 pm in z-Richtung erreicht werden. Nach Erreichen eines gewünschten Verkippwinkels wird vorzugsweise zu einer vollständig symmetrischen Schmelzstrategie zurückgekehrt, das heißt die primäre und/oder sekundäre Kristallorientierung wird vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben konstant gehalten.
Vorzugsweise wird die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung bzw. in Wachstumsrichtung des Einkristalls, konstant gehalten, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht werden. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten dazu bei einem kubischen Kristallgitter jeweils um 90° gedreht. Die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs ist somit vorzugsweise in der übernächsten Schicht um 180°, in der drittnächsten Schicht um 270°, in der viertnächsten Schicht um 360° gedreht, und so weiter.
Diese Vorgehensweise ist bei kubischen Kristallsystemen besonders vorteilhaft. Dadurch entstehen vorteilhaftweise Bauteile mit nahezu exakter Ausrichtung der [100]-Richtung in z-Richtung, beispielsweise mit einer maximalen Abweichung von 1 bis 2°. Dies bedeutet eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren. Bei gusstechnischen Verfahren müssen Abweichungen von bis zu 15° toleriert werden.
Von Vorteil ist weiterhin, dass eine bauteilgrößenabhängige Einkristallmosaizität beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht zu beobachten ist. Unter Einkristallmosaizität wird verstanden, dass die Dendriten innerhalb des Einkristalls nicht alle gleich ausgerichtet sind. In der x-y-Ebene hängt die Ausrichtung des Einkristalls von den kristallplastischen Eigenschaften des Materials ab. Für Nickelbasislegierungen beispielsweise ist die [100]-Richtung um 45° bezüglich der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs gedreht. Die Einkristallselektion erfolgt dabei im Bereich von einigen Millimetern.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ausdehnungsrichtung und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten, insbesondere in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schichten, oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Schichten um einen gleichen Winkelbetrag gedreht, vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.
Dadurch kann die Kristallorientierung, insbesondere die sekundäre Kristallorientierung, bezüglich der x-y-Ebene, das heißt der Bauebene, des Einkristalls gedreht werden, vorzugsweise kontinuierlich um 0,01° bis 10° pro Schicht, bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,3° bis 0,7° pro Schicht. Die Drehung des Einkristalls erfolgt dabei spannungsinduziert.
Zusätzlich kann die primäre Kristallorientierung konstant gehalten werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten zusätzlich um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht werden. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs dazu in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter zusätzlich jeweils um 90° gedreht. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten also um 90° + 0,01° bis 90° + 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 90° + 0,1° bis 90° + 1° pro Schicht gedreht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs während des Aufbaus der neuen Schicht variiert. In Bezug auf die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs kann dabei die Richtung der Lateralbewegung und/oder der Betrag der Lateralgeschwindigkeit variiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in Aufbaurichtung variiert werden. In Bezug auf die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs kann auch dabei die Richtung der Lateralbewegung und/oder der Betrag der Lateralgeschwindigkeit variiert werden. Das Variieren kann in Aufbaurichtung in einer konkreten Abfolge aufeinanderfolgender Schichten vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Variieren in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schichten oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Schichten vorgesehen sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nur in Teilbereichen des Bauteils ein linienförmiger Bereich aufgeschmolzen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden im Bauteil einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche hergestellt. Dabei ist es möglich, dass einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche abwechselnd hergestellt werden. Vorzugsweise werden einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche nebeneinanderliegend hergestellt. Z.B. kann ein einkristalliner Bereich umgeben von einer feinkristallinen Hülle hergestellt werden. Die einkristallinen Bereiche sind vorzugsweise jeweils durch einen erfindungsgemäßen Einkristall gebildet, das heißt durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Einkristall.
Beispielsweise kann eine Turbinenschaufel aus einem von einer feinkristallinen Hülle umgebenen Einkristall nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Eine solche Turbinenschaufel zeichnet sich vorteilhafter weise durch lokal angepasste mechanische Eigenschaften aus. Das kann vorteilhaft z.B. für das Ermüdungsverhalten sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Bauteil eine kontinuierliche Änderung der Kristallorientierung hergestellt, vorzugsweise eine kontinuierliche Drehung um die Aufbaurichtung und/oder eine kontinuierliche Verkippung bezüglich der Aufbaurichtung, vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.
Wie oben bereits erläutert bezieht sich die Verkippung bezüglich der Aufbaurichtung auf die primäre Kristallorientierung und die Drehung um die Aufbaurichtung auf die sekundäre Kristallorientierung.
Für Metalle und Legierungen, die nicht im kubischen Kristallsystem erstarren, sondern z.B. hexagonale Kristalle bilden, müssen die oben genannten Aufbaustrategien der Symmetrie des Gitters angepasst werden, um analoge Effekte zu erzeugen.
Nach Maßgabe der Erfindung wird weiterhin ein Bauteil umfassend einen Einkristall oder mehrere Einkristalle mit exakt eingestellter primärer und/oder sekundärer Kristallorientierung beansprucht. Das Bauteil ist vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt. Die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung können dabei so eingestellt sein, dass sie über den gesamten Einkristall bzw. über das gesamte Bauteil hinweg oder abschnittsweise konstant sind. Weiterhin können die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt sein, dass sie sich über den gesamten Einkristall bzw. über das gesamte Bauteil hinweg oder abschnittsweise verändern, insbesondere kontinuierlich verändern.
Das Bauteil ist vorzugsweise eine Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise in einer Gasturbine eingebaut. Die Gasturbine ist vorzugsweise land- oder luftbasiert.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, weist vorteilhafterweise lokal angepasste mechanische Eigenschaften auf.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in der Herstellung befindlichen Bauteils mit linienförmigem Bereich, Fig. 2 eine schematische Zeichnung zeitlicher Verläufe von Temperatur,
Spannung und plastischer Dehnung in einer Wärmeeinflusszone,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Bildung eines einkristallinen Bauteils,
Fig. 4 ein experimentelles Beispiel einer Bildung eines einkristallinen Bauteils, Fig. 5 eine schematische Zeichnung mit Polfiguren zur Beschreibung der
Bildung eines einkristallinen Bauteils sowie des Drehens der und des Verkippens der Kristallorientierung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines in der Fierstellung befindlichen Bauteils 1 mit linienförmigem Bereich 2. Das Bauteil 1 wird in einem Bauraum innerhalb einer Vakuumkammer schichtweise aus einem metallischen Material aufgebaut. Zum Aufbau einer neuen Schicht werden vorzugsweise mit einer Rakel Pulverschichten aus dem metallischen Material als Pulverbett aufgetragen, durch mehrfaches Rastern mit einem Elektronenstrahl geheizt und selektiv im linienförmigen Bereich 2 geschmolzen. Die Dicke der neuen Schicht beträgt beispielsweise 50 pm. Die Leistung des Elektronenstrahls beträgt beispielsweise 1 kW. Der Bauraum weist eine x-y-Ebene als Bauebene und eine z-Richtung als Aufbaurichtung auf. Die Dimension des Bauraums beträgt beispielsweise 300 mm in der Bauebene und 300 mm in der Aufbaurichtung. Das metallische Material ist im linienförmigen Bereich 2 durch selektives Elektronenstrahlschmelzen aufgeschmolzen. Der linienförmige Bereich 2 weist entlang seiner Ausdehnungsrichtung eine Länge L und jeweils senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung eine Breite B sowie eine Tiefe D auf. Die Tiefe D des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 500 pm. Der linienförmige Bereich 2 dringt also auch in die zehn unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten ein. Die Breite B des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 1,5 mm. Die Länge L des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 15 mm. Der linienförmigen Bereich 2 ist von einer Wärme einflusszone 3 umgeben. Das metallische Material in der Wärmeeinflusszone 3 ist nicht aufgeschmolzen, genauer gesagt zum Teil noch nicht aufgeschmolzen, zum Teil nicht mehr aufgeschmolzen. In der Wärmeeinflusszone 3 wirkt ein durch den Elektronenstrahl erzeugtes Temperaturfeld insbesondere auf das bereits erstarrte metallische Material in unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten.
Der linienförmige Bereich 2 wird mit einer Lateralgeschwindigkeit viat senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegt. Die Lateralgeschwindigkeit viat beträgt beispielsweise 5 mm/s.
Durch das Aufschmelzen und das anschließende Erstarren des metallischen Materials wird eine plastische Verformung des metallischen Materials im Zuge thermisch induzierter mechanischer Spannungen verursacht. Die mechanischen Spannungen werden durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und Temperatur des linienförmigen Bereichs gezielt erzeugt. Die mechanischen Spannungen übersteigen insbesondere im linienförmigen Bereich 2 und/oder in der Wärmeeinflusszone 3 die Fließgrenze des metallischen Materials. Die mechanischen Spannungen weisen aufgrund der linienförmigen Ausgestaltung des linienförmigen Bereichs eine Vorzugsrichtung auf. Das mechanische Spannungsfeld ist also anisotrop. Diese Anisotropie führt zur Erzeugung eines Einkristalls. Durch das durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und Temperatur des linienförmigen Bereichs gezielt erzeugte mechanische Spannungsfeld kann die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und sekundäre Kristallorientierung, genau eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Zeichnung die Temperatur T, die mechanische Spannung in y-Richtung ayy und die plastische Dehnung in y- Richung syy jeweils als Funktion der Zeit t in der Wärmeeinflusszone 3. Mit TB ist dabei die Bautemperatur benannt. In der Bauebene, das heißt in der x-y-Ebene, wird hinsichtlich der mechanischen Spannung und der plastischen Dehnung die Symmetrie gebrochen. Dieser Symmetriebruch gekoppelt mit der Eigenschaft von Kristallen, sich durch plastische Deformation in bestimmte Richtungen auszurichten, was als Texturbildung bezeichnet wird, führt letztendlich zur kontrollierten Ausrichtung jedes einzelnen Stängelkristalls und schließlich zur Erzeugung des Einkristalls.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildung eines einkristallinen Bauteils. Darin ist die Ausrichtung einzelner Kristallite in verschiedenen Bauhöhen beim Aufbau eines Bauteils visualisiert. Die Aufbaurichtung 4 steht dabei senkrecht zur Papierebene, verläuft also in z-Richtung. Die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 liegt in der Papierebene und ist von Schicht zu Schicht abwechselnd in einer ersten Schicht parallel zur x-Achse, in einer zweiten Schicht parallel zur y-Achse, und so weiter. Die Bewegungsrichtung des mit der Lateralgeschwindigkeit viat senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegten linienförmigen Bereichs 2 ändert sich dabei von Schicht zu Schicht um 90° im Uhrzeigersinn. Die primäre Kristallorientierung ist bereits nach ein paar 100 pm Bauhöhe genau eingestellt: die einzelnen Kristallite sind jeweils in z-Richtung, das heißt in [001]-Richtung, ausgerichtet. Bei 1 mm ist die sekundäre Kristallorientierung noch isotrop. Mit zunehmender Bauhöhe wird jedes einzelne Kristallit nach und nach auf eine Winkelposition bezüglich der x-Achse von 45° gedreht, das heißt auch die sekundäre Kristallorientierung wird genau eingestellt. Zwischen einer Bauhöhe von 5 mm und 15 mm verschwinden die Großwinkelkorngrenzen (dargestellt mit durchgezogenen Linien). Es bleiben lediglich Kleinwinkelkorngrenzen (dargestellt mit gestrichelten Linien) bestehen. Die Kristallite sind deshalb in einer Bauhöhe von 15 mm schließlich vollständig zu einem Einkristall verschmolzen.
Fig. 4 zeigt ein experimentelles Beispiel einer Bildung eines einkristallinen Bauteils 1. Im konkreten Beispiel handelt es sich um eine Nickelbasis- Einkristalllegierung des Typs CMSX-4. Die Herstellung erfolgt durch selektives Elektronenstrahlschmelzen. Ein Ausschnitt des stangenförmigen Bauteils 1 ist im unteren Teil der Fig. 4 abgebildet. Die durch einen Pfeil dargestellte Aufbaurichtung 4 geht von rechts nach links. Die Grauwerte zeigen unterschiedliche Kristallorientierungen. Großwinkelkorngrenzen sind durch schwarze Linien gekennzeichnet. Im oberen Teil der Fig. 4 sind exemplarisch drei Ausschnitte aus dem stangenförmigen Bauteil vergrößert dargestellt. Der rechts gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf die ersten 2 mm in Aufbaurichtung 4. Darin sind noch viele unterschiedliche Kristallorientierungen mit dazwischenliegenden Großwinkelkorngrenzen zu beobachten. Der mittig gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf eine Bauhöhe von etwa 5 bis 7 mm in Aufbaurichtung 4. Hier hat sich bereits in größeren Bereichen die Kristallorientierung angeglichen. Die Großwinkelkorngrenzen lösen sich mit fortschreitender Bauhöhe immer mehr auf. Der links gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf eine Bauhöhe von etwa 22 bis 24 mm in Aufbaurichtung 4. Hier hat sich die Kristallorientierung weitgehend angeglichen. Die Großwinkelkorngrenzen sind größtenteils aufgelöst. Das Verschwinden der Großwinkelkorngrenzen zeigt das Verschmelzen zum Einkristall.
Fig. 5 zeigt eine schematische Zeichnung mit Polfiguren zur Beschreibung der Bildung (a) eines einkristallinen Bauteils 1 sowie des Drehens (b) der sekundären Kristallorientierung und des Verkippens (c) der primären Kristallorientierung des einkristallinen Bauteils 1. In einer linken Spalte ist schematisch ein stangenförmiges Bauteil 1 gezeigt. Die Aufbaurichtung 4 verläuft dabei durch einen vertikalen Pfeil dargestellt in der Figur von unten nach oben in z-Richtung. Für vier verschiedene Bauhöhen ist jeweils eine Polfigur dargestellt. Die vier verschiedenen Bauhöhen sind dabei jeweils durch einen horizontalen Pfeil markiert. In der nächsten Spalte (a) ist die Einkristallselektion ausgehend von einer isotropen Verteilung in der untersten Polfigur bis zu einer Ausprägung genau definierter Positionen in der obersten Polfigur dargestellt. In der obersten Polfigur der Spalte (a) ist bereits ein einkristalliner Zustand genau eingestellt. Ausgehend von diesem einkristallinen Zustand kann die sekundäre Kristallorientierung gezielt verändert werden. Das Kristallgitter kann also in der x-y-Ebene gedreht werden. Dies ist in der Spalte (b) anhand vier weiterer Polfiguren visualisiert. Die unterste Polfigur entspricht dabei der obersten Polfigur der Spalte (a). Zur Drehung des Kristallgitters wird die Scanrichtung des Elektronenstrahls und damit die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 in der x-y-Ebene pro Schicht um beispielsweise 0,5° + 90° gedreht. Ausgehend vom Zustand in der unterste Polfigur wird die sekundäre Kristallorientierung in der Spalte (b) sukzessive bis zur obersten Polfigur um 45° gedreht. In der Spalte (c) wird daraufhin die primäre Kristallorientierung gezielt verändert. Dabei wird der Einkristall gegenüber der z- Richtung verkippt. Dies ist in der Spalte (c) anhand vier weiterer Polfiguren visualisiert. Die unterste Polfigur entspricht dabei der obersten Polfigur der Spalte (b). Das Verkippen des Einkristalls erfolgt durch Symmetriebruch. Ein Symmetriebruch kann erreicht werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 und dessen Bewegungsrichtung in aufeinander folgenden Schichten gleichbleibt.
Auch wenn hier bereits die Abschnitte, in denen das Bauteil 1 in einer Anfangsphase des Herstellungsverfahrens noch keinen einkristallinen Zustand aufweist, gleichwohl als Bauteil 1 bezeichnet sind, versteht es sich von selbst, dass vorzugsweise lediglich die Abschnitte nach erfolgter Einkristallselektion schließlich das Bauteil 1 bilden. Dazu können die Abschnitte aus der Anfangsphase des Herstellungsverfahrens vom Bauteil 1 abgetrennt werden.
Bezugszeichenliste 1 Bauteil
2 linienförmiger Bereich
3 Wärmeeinflusszone
4 Aufbaurichtung L Länge
B Breite
D Tiefe ayy mechanische Spannung in y-Richtung syy plastische Dehnung in y-Richung T Temperatur
TB Bautemperatur

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1 ) durch Schichtaufbau, indem eine Vielzahl von Kristalliten eines metallischen Materials zu einem Einkristall vereinigt wird, wobei der Einkristall durch thermo-mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung entsteht, wobei das metallische Material während des Aufbaus einer neuen Schicht erhitzt wird, so dass das metallische Material in einem linienförmigen Bereich (2) aufgeschmolzen ist, und wobei zum Aufbau der neuen Schicht der linienförmige Bereich (2) bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der linienförmige Bereich (2) entlang seiner Ausdehnungsrichtung eine Länge (L) und senkrecht dazu eine Breite (B) aufweist, und wobei das Verhältnis aus Länge (L) und Breite (B) vorzugsweise zumindest 2:1 beträgt, bevorzugt zumindest 5:1 und besonders bevorzugt zumindest 20:1 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der linienförmige Bereich (2) jeweils senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung eine Breite (B) und eine Tiefe (D) aufweist, und wobei das Verhältnis aus Breite (B) und Tiefe in einem Bereich von 1:2 bis 10:1 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2:1 bis 4:1 liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe (D) des linienförmigen Bereichs (2) 50 pm bis 1000 pm beträgt, vorzugsweise 150 pm bis 500 pm.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (1) schichtweise durch lokales Aufschmelzen einer Pulverschicht aus dem metallischen Material und/oder durch lokales Aufbringen des metallischen Materials hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Material im linienförmigen Bereich (2) durch einen Laser und/oder einen Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich das Bauteil (1) und/oder ein das Bauteil (1) enthaltender Bauraum erhitzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Material, das Bauteil (1) und/oder der Bauraum auf eine Temperatur (T) im Bereich von 300°C bis 1200°C erhitzt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur (T) im Bereich von 700°C bis 1200°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur (T) im Bereich von 900°C bis 1100°C.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtaufbau entlang einer Aufbaurichtung (4) erfolgt und dabei vorzugsweise Schichten mit Dicken im Bereich zwischen 10 gm und 500 gm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 30 gm und 100 gm erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das metallische Material aus einer Nickelbasislegierung, Nickeltitanlegierung und/oder Kupferlegierung gebildet ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der linienförmige Bereich (2) unter Beibehaltung seiner Ausdehnungsrichtung einer Lateralbewegung senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung mit einer Lateralgeschwindigkeit viat unterworfen wird, wobei die Lateralgeschwindigkeit viat vorzugsweise zwischen 0,1 mm/s und 100 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm/s beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei eine Kristallorientierung des Einkristalls durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung und Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten definiert eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten gleich ist oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht ist, wobei die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter vorzugsweise gleich oder um 90° gedreht ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten gleich ist oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht ist, wobei die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter vorzugsweise gleich oder um 90°, 180° oder 270° gedreht ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnungsrichtung und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) in aufeinanderfolgenden Schichten oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Schichten um einen gleichen Winkelbetrag gedreht werden, vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs (2) und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) während des Aufbaus der neuen Schicht variiert wird, und/oder wobei die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs (2) und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs (2) in Aufbaurichtung (4) variiert wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur in Teilbereichen des Bauteils (1) ein linienförmiger Bereich (2) aufgeschmolzen wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bauteil (1) einkristalline und polykristalline Bereiche hergestellt werden.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Bauteil (1 ) eine kontinuierliche Änderung der Kristallorientierung hergestellt wird, vorzugsweise eine kontinuierliche Drehung um die Aufbaurichtung (4) und/oder eine kontinuierliche Verkippung bezüglich der Aufbaurichtung (4), vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.
20. Bauteil umfassend einen Einkristall mit exakt eingestellter primärer und/oder sekundärer Kristallorientierung, vorzugsweise hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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