EP4665522A1 - Verbundwerkstoff mit eingelagertem carbid - Google Patents

Verbundwerkstoff mit eingelagertem carbid

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Publication number
EP4665522A1
EP4665522A1 EP24706007.2A EP24706007A EP4665522A1 EP 4665522 A1 EP4665522 A1 EP 4665522A1 EP 24706007 A EP24706007 A EP 24706007A EP 4665522 A1 EP4665522 A1 EP 4665522A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
composite material
carbide
metallic matrix
embedded
powder
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
EP24706007.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ewald HÖLZEL
Andrea Kühl
Frank RIEDELBAUCH
Manuel RÜHR
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.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
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 KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4665522A1 publication Critical patent/EP4665522A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
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    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/059—Making alloys comprising less than 5% by weight of dispersed reinforcing phases

Definitions

  • the invention relates to a composite material with a metallic matrix of iron and/or nickel, which has embedded carbides, for the targeted modification of the mechanical and technical properties compared to the metallic matrix.
  • Components made of composite materials with enclosed hard materials can be produced by casting into a mold or by sintering a compact.
  • Hard materials are materials that are characterized by particularly high hardness. They are usually formations of intermetallic phases, often metal carbides, and more rarely ceramics, in which there is a high proportion of metallic bonding. Hard materials are practically impossible to process in their pure form and are therefore usually used in metal matrix composite materials as additives in a metallic matrix. These composite materials are then classified as hard metals or cermets.
  • Chilled cast iron is metastable cast iron with a high carbide content.
  • the metastable solidification leads to the formation of ledeburite, which is particularly hard and wear-resistant.
  • stable solidification can also occur and thus the formation of graphite in a matrix of ferrite and pearlite.
  • the surface layer consists of ledeburite and pearlite
  • the core consists of graphite, pearlite and ferrite.
  • This chilled cast iron also known as chilled cast iron, has a ductile core and a hard shell. In the case of solid chilled cast iron, the maximum cross-section may only be 100 mm so that the component mainly contains hard ledeburite.
  • Hard metals are metal matrix composite materials in which hard materials, which are present as small particles, are held together by a metal matrix and can be produced by sintering a compact.
  • the materials are first provided in a defined particle size distribution, mixed according to a recipe and pressed with a binder to form a green compact. Fine-grained ceramic and/or metallic materials are then usually heated under increased pressure, although the temperatures remain below the melting point of the main components so that the shape of the component is retained. This usually results in shrinkage because the particles of the starting material become denser and pore spaces are filled.
  • DE 10 2016 207 028 A1 discloses a hard metal comprising a phase of hard material grains and a phase of a heterogeneously distributed binder metal, wherein the hard material grains have an average grain size in the range from 1 nm to 1000 nm, preferably 50 nm to 500 nm, and the heterogeneously distributed binder metal in the hard metal is in the form of binder islands which have an average size of 0.1 pm to 10.0 pm, preferably 0.2 pm to 5.0 pm, and an average distance between the binder islands of 1.0 pm to 7.0 pm, preferably 2.0 pm to 5.0 pm, and particularly preferably from 1.0 pm to 4.0 pm.
  • the object of the invention is to provide a composite material that can be specifically modified in terms of mechanical and technical properties compared to the metallic matrix and at the same time can be flexibly designed.
  • the composite material should have improved tensile strength and optimized hardness without exhibiting particularly brittle properties.
  • the composite material should be easy and inexpensive to produce.
  • the composite material has a proportion of mixed carbides of less than 0.5 vol.%.
  • the composite material does not contain any mixed carbides.
  • carbides are usually formed from the melt, in particular from carbon dissolved in the matrix of the melt with one or more elements from the melt. These elements can enter the melt, for example, through the addition of scrap or recycled material or other impurities.
  • carbides, especially mixed carbides, from the melt cannot be precisely controlled.
  • mixed carbides are usually formed, which are referred to as "impure" in the sense of a defined, mechanical-technological creation of a composite material.
  • the composite material according to the invention has less than 0.5 vol.% or no mixed carbides and thus only "pure” and an amount of monocarbide adjusted by targeted addition.
  • the targeted embedding and uniform arrangement of defined carbides creates a composite material with improved mechanical and technological properties.
  • the composite material contains only monocarbides. These are precisely the carbides that were previously mixed with the alloy particles of the metallic matrix and then generated into a composite material using a powder bed process.
  • the special production of the composite material ensures the defined and targeted introduction of the carbides into the composite material and thus the desired design of the mechanical-technological material properties.
  • the carbides are embedded in the form of particles in the metallic matrix of an iron-based or nickel-based alloy.
  • the carbide particles are preferably well bonded into or to the metallic matrix by the special generative manufacturing process, in particular the powder bed process or laser powder deposition welding. This is visible, for example, in fracture patterns, in particular of test bars from the tensile test, where a fracture through the carbide particle is recognizable.
  • the melting zone around each carbide particle firmly bonds the particles into the metallic matrix.
  • a matrix, particularly a metal matrix composite consists of a continuous metal matrix with a discontinuous ceramic or organic reinforcement within it, often in the form of fibers, particles or whiskers.
  • individual carbide particles can be evenly and/or finely distributed in a matrix in the form of a coherent surface structure and/or network structure.
  • Carbides are generally a group of binary chemical compounds made up of an element and carbon. This group includes salt-like, preferably metallic compounds such as tantalum carbide, tungsten carbide, chromium carbide and titanium carbide.
  • a composite material is produced using a process in which a layer of powdered particles is first applied to a substrate.
  • the application-specific mixture of powdered particles made of a metallic matrix and one or more carbides is applied in powder form in a thin layer to a plate.
  • the powdered material is then completely melted locally at the desired locations using radiation and, after solidification, a solid layer of material made of embedded carbide in a metallic matrix is formed.
  • the substrate is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again and melted using radiation, whereupon the new layer thickness solidifies again.
  • This advantageous process in combination with an application-specific mixture leads to a metallic matrix that does not dissolve any significant portions of the carbide due to the very local energy supply and does not form mixed crystallites or segregated phases during solidification. This makes it possible to combine material properties that were previously unattainable, for example the ductility of the metallic matrix combined with the wear and/or corrosion resistance of the carbide.
  • the application-specific mixture of powdered particles and the carbide content can preferably be designed to be variable. For example, for a composite material that is to have a higher hardness, for example according to Vickers, a higher proportion of carbide can be added to the application-specific mixture.
  • the intensive mixture of the powdered particles is thus integrated evenly, continuously and homogeneously into the metallic matrix during selective laser melting.
  • the term “particle” refers to a part of a body or a form of a composite material that is small compared to the scale of the system under consideration.
  • the carbide is advantageously embedded in the metallic matrix in the form of particles. Since the radiation energy in selective laser melting melts one powdery particle at a time in a targeted manner and the carbide does not melt completely with the energy supplied, a structure is created in which the carbide is embedded in the matrix in its original particle form.
  • the generative process and the properties of the carbides allow many different particle shapes to be embedded in the matrix. These can be, for example, round, polygonal, elongated, rod-shaped and even needle-shaped particles, which thus shape the properties of the composite material in a particularly advantageous way.
  • the embedded carbide is formed in a crystalline modification.
  • a carbide is called crystalline if individual crystals are no longer recognizable in its particle shape, but the carbide has a regular arrangement.
  • the embedded carbide in the metallic matrix has a homogeneous arrangement. This corresponds to an arrangement that cannot be achieved by producing a chilled cast or sintered cast.
  • Homogeneity refers to the equality of a property across the entire extent of a system or the similarity of elements of a system.
  • the arrangement of the carbide is uniform and/or even and/or uniform and/or similar and/or homogeneous in the metallic matrix.
  • Such an arrangement or distribution of the carbides in the metallic matrix cannot be produced from the melt, in particular by oversaturating the metallic matrix with carbide.
  • this homogeneous arrangement of the carbides in the metallic matrix cannot be achieved by precipitation at grain boundaries.
  • the melting temperature of the embedded carbide is at least 1.2 times higher than the melting temperature of the metallic matrix, preferably 1.4 times higher, and in particular 1.6 times higher. This means that the carbide does not melt or only partially melts, while the metallic matrix is briefly melted by the energy supplied by the radiation. This allows the shape of the carbide particles to be embedded in the metallic matrix and at the same time a particularly homogeneous distribution of the carbides in the metallic matrix to be achieved.
  • the embedded carbide in the metallic matrix has a distribution that corresponds to a microstructure with regular inclusions.
  • the deposited carbide is a tungsten carbide and/or a titanium carbide and/or a mixture thereof.
  • Titanium carbide is characterized by a particularly high hardness of up to 4000 HV.
  • the bending strength is 240 - 400 MPa and the elastic modulus is 550 - 570 GPa.
  • the carbide is advantageously formed by a powdered mixture of various carbide particles.
  • the proportions can be weighed by mass and an even distribution can be achieved through intensive mixing.
  • the proportion of carbide and/or carbide mixture can also be adjusted by mass-specific weighing into the powdered metallic matrix and the starting mixture for selective laser melting can be produced by intensive mixing of the powdered particles.
  • the particle size is 10 - 40 pm and can be adjusted depending on the requirements in the powder mixture.
  • a powder mixture adapted to the stress can also be produced, for example by adding a higher proportion of carbide to the powder mixture.
  • modified powder can then be applied in certain areas during selective laser melting and melted, whereby a component with geometric areas adapted to the load can be produced.
  • the metallic matrix can be almost carbon-free.
  • a matrix can be formed, for example, by a stainless steel, preferably a 1.4401, 1.4404 and/or 1.4435, which belong to the V4A group and which, thanks to the addition of 2 - 2.5% molybdenum, show good corrosion resistance even in the presence of chlorides.
  • the metallic powder particles can also be based on Alloy718, 2.4668.
  • Alloy718 is a precipitation hardenable nickel-chromium alloy with additions of niobium, molybdenum, aluminum and titanium for improved corrosion resistance in combination with extremely high strength.
  • the proportion of carbide in the powder mixture is more than 4%, preferably more than 8%, in particular more than 12%, tungsten carbide. This greatly increases the wear protection of the composite material when in contact with abrasive media such as sand and solids, for example in a corrosive medium.
  • the hardness increases from 290 to 410 HBW and the yield strength R P O,2 from 638 MPa to 933 MPa.
  • the composite material according to the invention which is produced using selective laser melting, achieves significantly improved material properties compared to known materials.
  • the composite material has a bonding zone between the metallic matrix and the carbide particles.
  • the carbide particles are embedded in the metallic matrix.
  • the carbide particles are preferably well bonded into or to the metallic matrix, for example an iron-based or nickel-based alloy, by the special generative manufacturing process, in particular the powder bed process or laser powder deposition welding. This is visible, for example, in fracture patterns, in particular of test bars from the tensile test, where a fracture caused by a carbide particle is recognizable.
  • the melting zone around each carbide particle firmly bonds the particles into the metallic matrix.
  • the composite material has a material bond between the metallic matrix and the carbide particles due to the special generative manufacturing process. This material bond significantly increases the strength of the composite material.
  • the alloy powder particles are melted and/or fused during the generative manufacturing process of the composite material, so that diffusion processes can take place in the liquid phase, for example.
  • Tungsten or titanium can optionally diffuse into the metallic matrix and contribute to the solidification of the bonding zone.
  • the carbide particles within the composite material significantly improve the wear behavior of the composite material.
  • the jet wear when the composite material is affected by a 30 g/L quartz sand suspension with a quartz sand particle size of 100 pm and a jet speed of 20 m/s and a jet angle of 45 ° is 0.71 mm 3 /kJ. In comparison to an Alloy718 without attached and/or embedded carbide particles, the jet wear is 2.18 mm 3 /kJ.
  • the carbide particles have a round and/or angular particle shape. Regardless of the particle shape, the particles are excellently integrated into the metallic matrix.
  • the composite material is produced in a process for additive or generative manufacturing.
  • a powder mixture of alloy and carbide powder is produced, the powder mixture is applied to a substrate and melted by selectively exposing a layered powder mixture to radiation and allowed to solidify into a composite material.
  • a complete component preferably a flow-guiding component, for example a pump impeller, can thus be formed from the composite material according to the invention.
  • the powder of the composite material is applied to the construction platform in a thin layer using the coater.
  • the layers are gradually melted into the powder bed by precisely controlling the laser beam according to the layer contour of a component and grow together with the underlying and neighboring structures when they solidify again.
  • the construction platform is then lowered slightly and a new layer is applied.
  • a composite material is produced using an additive manufacturing process.
  • the layer-by-layer construction is computer-controlled from one or more solid, powdery materials according to specified dimensions and shapes. During construction, physical or chemical hardening or melting processes take place.
  • the composite material with the appropriate component dimensions is produced using a process in which a layer of a powdered mixture of composite material particles is first applied to a substrate. The powdered composite material is then completely melted locally at the desired locations using radiation and a solid layer of material forms after solidification. The substrate is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers have been produced and the finished composite material or component made of composite material has been created.
  • a laser beam can be used as radiation, which generates the composite material from the individual powder layers.
  • the data for guiding the laser beam is generated using software on the basis of a 3D CAD body.
  • an electron beam (EBN) can also be used.
  • composite material is produced from powdered particles by successively melting and solidifying layers using radiation.
  • Different properties of the composite material can be generated by varying the radiation.
  • the material properties are modified during construction of the composite material. This makes it possible to create zones and structures with different material states and thus different properties in one area of the composite material.
  • the carbide is evenly distributed in the metallic matrix of the composite material through selective laser melting. This leads to a significant increase in the hardness and strength of the composite material.
  • the proportion of carbide in the powder mixture can be adjusted to specifically increase the tensile strength when producing the powder mixture.
  • the proportion of carbide can be partially or generally increased in order to increase the hardness of surfaces of the composite material that are particularly mechanically impaired.
  • a component made of the composite material can be produced by selective laser melting, which has areas that are melted with different mixtures of the powdered particles.
  • the proportion of tungsten and/or titanium carbide can be adapted to the load situation of components made of composite material. This can preferably be done with a higher carbide proportion and/or varied radiation energy.
  • damaged components can be repaired using a powder mixture of composite material according to the invention and the use of selective laser melting and can be permanently adapted to the existing load situation by means of a modified proportion of carbide.
  • the composite material is produced using laser powder deposition welding.
  • the composite material is produced in which a directed radiation from an energy source, preferably a directed laser beam, melts and/or melts a surface and a powdery material mixture is introduced into the melt of the composite material body via a powder dispensing device with at least one powder channel.
  • an energy source preferably a directed laser beam
  • the process for producing a composite material is carried out as laser cladding (also called laser metal deposition (LMD), direct metal deposition (DMD) or direct energy deposition (DED)).
  • LMD laser metal deposition
  • DMD direct metal deposition
  • DED direct energy deposition
  • a melt pool is created on a body surface of a composite material using a laser or a base material forming the body surface is heated.
  • the melt pool can also generally be called a process zone, which includes the heated or melted material of the body.
  • the melt pool can be, for example, several hundred micrometers thick.
  • the powder mixture of the composite material is automatically introduced using a powder dispensing device, usually in the form of a nozzle. This creates beads or flat layers of material that are welded together and form the body of the composite material.
  • Laser cladding enables, for example, the application of three-dimensional structures to existing or new, possibly uneven body surfaces.
  • Laser cladding typically uses a material deposition unit with a laser unit that directs the laser beam onto a body, while the powder dispenser delivers powder to the body in a directed manner.
  • the powder dispensing device is usually designed in such a way that it dispenses the material powder in the direction of the workpiece or the body via a nozzle or several powder dispensing units, which can be designed as powder outlet openings, for example. This results in one or a plurality of powder jets. These powder jets are centered in a material focus zone.
  • the powder dispensing units have several powder channels.
  • the number of powder channels corresponds to the number of powder dispensing units. For example, seven powder dispensing units have seven powder channels.
  • the powder distribution unit can thus provide homogeneous or heterogeneous material flows of alloy powder and/or carbide powder in different proportions.
  • different powdery components of carbide powder can also be mixed in a layer of the composite material.
  • an additively manufactured composite material is used to improve the mechanical-technological material properties.
  • Fig. 1 is a microstructure of a composite material according to the invention
  • Fig. 2 shows another enlarged micrograph.
  • Fig. 1 shows a microscopic image of the composite material treated with V2A pickling at 200x magnification.
  • the metallic matrix is based on an Alloy718, 2.4668, with a tungsten carbide content of 12%.
  • the metallic matrix has a well-fused, coherent structure, while the tungsten particles are embedded in the metallic matrix in an almost round or circular shape.
  • the average size of the tungsten carbide particles is 10 - 40 ⁇ m.
  • the tungsten carbide particles are evenly distributed and have a homogeneous arrangement. With a tungsten carbide content of 12%, the average number of particles per mm 2 is 200 - 250.
  • Fig. 2 shows a microscopic image of the composite material treated with V2A pickling at 500x magnification.
  • the metallic matrix is based on an Alloy718, 2.4668, with a tungsten carbide content of 12%.
  • the tungsten carbide particles are almost circular in shape and have a size of 20 - 30 pm.
  • the distances between the tungsten carbide particles are approx. 30 - 60 pm and are evenly distributed and homogeneously arranged.
  • the tungsten carbide particles shown in Fig. 2 each have a melting zone that is arranged in the form of a ring-shaped strip around the round tungsten carbide particles. These melting zones arise when the composite material is formed using the powder bed process, with tungsten also diffusing into the metallic matrix in detectable quantities. This melting zone shows an excellent bond between the tungsten carbide particles and the metallic matrix.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix aus Eisen und/oder Nickel, der eingelagerte Carbide aufweist, zur gezielten Veränderung der mechanischen und technischen Eigenschaften gegenüber der metallischen Matrix. Der Verbundwerkstoff weist einen Anteil an Mischcarbiden von weniger als 0,5 Vol.-% auf.

Description

Verbundwerkstoff mit eingelagertem Carbid
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix aus Eisen und/oder Nickel, der eingelagerte Carbide aufweist, zur gezielten Veränderung der mechanischen und technischen Eigenschaften gegenüber der metallischen Matrix.
Bauteile aus Verbundwerkstoffen mit eingeschlossenen Hartstoffen, wie beispielsweise Carbiden, kann man bekannterweise durch Gießen in eine Form oder durch Sintern eines Presslings herstellen.
Hartstoffe sind Materialien, die sich durch eine besonders hohe Härte auszeichnen. Es handelt sich meist um Ausbildungen intermetallischer Phasen, häufig Metallkarbide, seltener auch um Keramiken, in denen ein hoher Anteil metallischen Bindungscharakters besteht. Hartstoffe sind in Reinform praktisch nicht verarbeitbar und werden daher meist in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen als Zuschläge in einer metallischen Matrix eingesetzt. Diese Verbundwerkstoffe zählt man dann zu den Hartmetallen oder zu den Cermets.
Hartguss ist metastabiles Gusseisen mit hohem Carbid-Anteil. Die metastabile Erstarrung führt zur Bildung von Ledeburit, welcher besonders hart und verschleißfest ist. Je nach Abkühlrate bzw. Wanddicke eines Bauteils kann es auch zu einer stabilen Erstarrung und somit zur Bildung von Graphit in einer Matrix aus Ferrit und Perlit kommen. Bei dicken Bauteilen hat dies zur Folge, dass die Randschicht aus Ledeburit und Perlit, der Kem hingegen aus Graphit, Perlit und Ferrit besteht. Dieser Schalenhartguss, auch Kokillenhartguss genannt, besitzt einen duktilen Kern und eine harte Schale. Bei dem Vollhartguss darf der maximale Querschnitt nur 100 mm betragen, damit im Bauteil überwiegend harter Ledeburit vorhanden ist.
Die DE 195 12 044 A1 beschreibt einen korrosions- und verschleißbeständigen Hartguss, der folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Cr = 36 - 46, Ni = 5 - 12, Mo = 2 - 6, Cu < 3, N < 0,2, Si < 1 ,5, Mn < 1 ,5, C = 1 ,4 - 1 ,9, Rest Fe und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen; folgende Zusammensetzung in Volumen-%: Austenit 20 - 40, Ferrit 20 - 40, Carbide 20 - 40, wobei die Carbide eine netzartige Struktur aufweisen.
Hartmetalle sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, bei denen Hartstoffe, die als kleine Partikel vorliegen, durch eine Matrix aus Metall zusammengehalten werden und durch Sintern eines Presslings hergestellt werden können. Zuvor werden die Stoffe in einer definierten Partikelgrößenverteilung bereitgestellt, entsprechend einer Rezeptur gemischt und mit Binder zu einem Grünling gepresst. Anschließend werden feinkörnige keramische und/oder metallische Stoffe meist unter erhöhtem Druck erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Form des Bauteils erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden.
Die DE 10 2016 207 028 A1 offenbart ein Hartmetall umfassend eine Phase aus Hartstoffkörnern und eine Phase aus einem heterogen verteilten Bindermetall, wobei die Hartstoffkörner eine mittlere Korngröße im Bereich von 1 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 50 nm bis 500 nm, aufweisen, und das heterogen verteilte Bindermetall im Hartmetall in der Form von Binderinseln vorliegt, welche eine mittlere Größe von 0,1 pm bis 10,0 pm, vorzugsweise 0,2 pm bis 5,0 pm, und einen mittleren Abstand zwischen den Binderinseln von 1 ,0 pm bis 7,0 pm, vorzugsweise 2,0 pm bis 5,0 pm, und besonders bevorzugt von 1 ,0 pm bis 4,0 pm aufweisen. Bei beiden bekannten Verfahren ist die Formgebung von Bauteilen aus Verbundwerkstoff mit eingelagerten Hartstoffen und dabei besonders die Endbearbeitung der Oberflächen aufgrund der Eigenschaften der Hartstoffe stark limitiert. Darüber hinaus ist eine gezielte Beeinflussung der Zähigkeit, Sprödigkeit, der Härte sowie der chemischen als auch mechanischen Beständigkeit des Bauteils aus Verbundwerkstoff schwer möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, der gezielt hinsichtlich der mechanischen und technischen Eigenschaften gegenüber der metallischen Matrix verändert und gleichzeitig flexibel in der Formgebung gestaltet werden kann. Zudem sollte der Verbundwerkstoff eine verbesserte Zugfestigkeit und eine optimierte Härte aufweisen, ohne dabei besonders spröde Eigenschaften zu zeigen. Der Verbundwerkstoff sollte einfach und kostengünstig realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbundwerkstoff gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist der Verbundwerkstoff einen Anteil an Mischcarbiden von weniger als 0,5 Vol.-% auf.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist der Verbundwerkstoff keine Mischcarbide auf.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffs mit Carbiden werden Carbide meist aus der Schmelze, insbesondere aus in der Matrix der Schmelze gelöstem Kohlenstoff mit einem oder mehreren Elementen aus der Schmelze, gebildet. Diese Elemente können beispielsweise durch Zugabe von Schrott oder Recyclingmaterial oder anderen Verunreinigungen in die Schmelze gelangen. Insofern ist die Entstehung von Carbiden, insbesondere von Mischcarbiden, aus der Schmelze nicht exakt kontrollierbar. Bei der Erzeugung eines Verbundwerkstoffs aus der Schmelze entstehen somit meist Mischcarbide, die man im Sinne einer definierten, mechanischtechnologischen Kreation eines Verbundwerkstoffs als „unrein“ bezeichnen wird.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist aufgrund seines besonderen Herstellungsverfahrens weniger als 0,5 Vol.-% bzw. keine Mischcarbide und somit ausschließlich „reine“ sowie eine durch gezielte Zugabe eingestellte Menge eines Monocarbids auf. Die gezielte Einbettung und gleichmäßige Anordnung definierter Carbide realisiert einen Verbundwerkstoff mit verbesserten mechanischtechnologischen Eigenschaften.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weist der Verbundwerkstoff ausschließlich Monocarbide auf. Dabei handelt es sich exakt um die Carbide, die zuvor mit den Legierungspartikeln der metallischen Matrix gemischt wurden und dann mittels Pulverbettverfahren zu einem Verbundwerkstoff generiert werden. Die besondere Herstellung des Verbundwerkstoffs gewährleistet die definierte sowie gezielte Einbringung der Carbide in den Verbundwerkstoff und somit die erwünschte Gestaltung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Carbide in Form von Partikeln in die metallische Matrix einer Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung eingebettet.
Die Carbid-Partikel werden vorzugsweise durch das besondere generative Herstellungsverfahren, insbesondere das Pulverbettverfahren oder das Laserpulverauftragsschweißen, gut in bzw. an die metallische Matrix angebunden. Das ist beispielsweise an Bruchbildern, insbesondere von Probestäben des Zugversuchs, sichtbar, bei denen ein Bruch durch den Carbid-Partikel erkennbar ist. Die An- bzw. Aufschmelzzone um jeden Carbid-Partikel herum bindet die Partikel fest in die metallische Matrix ein. Eine Matrix, insbesondere ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, besteht aus einer zusammenhängenden Metallmatrix mit einer diskontinuierlichen keramischen oder organischen Verstärkung in ihrem Inneren, häufig in Form von Fasern, Partikeln oder Whiskern.
Beispielsweise können in einer Matrix in Form einer zusammenhängenden Flächenstruktur und/oder Netzstruktur einzelne Carbid-Partikel gleichmäßig und/oder feinverteilt integriert sein.
Carbide sind in der Regel eine Stoffgruppe binärer chemischer Verbindungen aus einem Element und Kohlenstoff. Zu dieser Gruppe zählen salzartige, vorzugsweise metallische Verbindungen, wie z. B. Tantalcarbid, Wolframcarbid, Chromcarbid und Titancarbid.
Bei der generativen Fertigung, insbesondere dem selektiven Laserschmelzen, wird ein Verbundwerkstoff nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht pulverförmigen Teilchen auf eine Unterlage aufgebracht wird. Die anwendungsbezogene Mischung von pulverförmigen Teilchen aus metallischer Matrix und einem bzw. mehreren Carbiden wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht aus eingelagertem Carbid in einer metallischen Matrix. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen und mittels Strahlung aufgeschmolzen, worauf die neue Schichtdicke wieder erstarrt.
Dieses vorteilhafte Verfahren in Kombination mit einer anwendungsbezogenen Mischung führt zu einer metallischen Matrix, die aufgrund der sehr lokalen Energiezufuhr keine nennenswerten Anteile des Carbids löst und beim Erstarren keine Mischkristallite bzw. entmischte Phasen bildet. Dadurch lassen sich teils bisher unerreichte Werkstoffeigenschaften kombinieren, beispielsweise die Duktilität der metallischen Matrix kombiniert mit der Verschleiß- und/oder Korrosionsbeständigkeit des Carbids.
Idealerweise kann so ein Verbundwerkstoff in Form und Gestalt gebracht werden, der mit den bekannten Formgebungsmethoden für Sinterhartstoffe und/oder Hartgüsse nicht bekannt ist.
Die anwendungsbezogene Mischung von pulverförmigen Teilchen und dabei der Carbidanteil kann vorzugsweise variabel gestaltet werden. So kann für einen Verbundwerkstoff, der eine höhere Härte, beispielsweise nach Vickers, aufweisen soll, ein höherer Anteil an Carbid der anwendungsbezogenen Mischung beigefügt werden. Die intensive Mischung der pulverförmigen Teilchen wird somit beim selektiven Laserschmelzen gleichmäßig und kontinuierlich und homogen in die metallische Matrix integriert.
Grundsätzlich bezeichnet der Begriff „Partikel“ ein Teilchen eines Körpers bzw. einer Form eines Verbundwerkstoffs, der klein gegenüber dem Maßstab des betrachteten Systems ist.
Vorteilhafterweise ist das Carbid in Form von Partikeln in der metallischen Matrix eingebettet. Da beim selektiven Laserschmelzen die Strahlungsenergie zielgerichtet je ein pulverförmiges Teilchen nacheinander aufschmilzt und das Carbid bei der zugeführten Energie nicht vollständig schmilzt, ergibt sich ein Gefüge, bei dem das Carbid in seiner vorgelegten Partikelform in die Matrix eingebettet wird.
Idealerweise können durch das generative Verfahren und aufgrund der Eigenschaften der Carbide viele unterschiedliche Partikelformen in die Matrix eingebettet werden. Dies können beispielsweise runde, vieleckige, längliche, stäbchenförmige und auch nadelförmige Partikel sein, die somit die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs besonders vorteilhaft ausbilden. Vorzugsweise ist das eingelagerte Carbid in einer kristallinen Modifikation ausgebildet. Ein Carbid wird kristallin genannt, wenn in seiner Partikelform nicht mehr einzelne Kristalle erkennbar sind, aber das Carbid eine regelmäßige Anordnung aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weist das eingelagerte Carbid in der metallischen Matrix eine homogene Anordnung auf. Dies entspricht einer Anordnung, die durch die Herstellung eines Hartgusses oder Sintergusses nicht realisiert werden kann.
Homogenität bezeichnet die Gleichheit einer Eigenschaft über die gesamte Ausdehnung eines Systems oder auch die Gleichartigkeit von Elementen eines Systems.
Idealerweise ist die Anordnung des Carbids einheitlich und/oder gleichmäßig und/oder gleichförmig und/oder gleichartig und/oder homogen in der metallischen Matrix ausgebildet.
Ein solche Anordnung bzw. Verteilung der Carbide in der metallischen Matrix kann aus der Schmelze, insbesondere durch eine Übersättigung der metallischen Matrix durch Carbid, nicht erzeugt werden. Darüber hinaus kann diese homogene Anordnung der Carbide in der metallischen Matrix nicht durch Ausscheidungen an Korngrenzen erzielt werden.
Idealerweise ist die Schmelztemperatur des eingelagerten Carbids mindestens um den Faktor 1 ,2, vorzugsweise um den Faktor 1,4, insbesondere um den Faktor 1 ,6, höher als die Schmelztemperatur der metallischen Matrix. Dadurch schmilzt das Carbid nicht oder nur teilweise an, während die metallische Matrix durch die Energiezufuhr der Strahlung kurzzeitig in ihrer Schmelze vorliegt. Deshalb lässt sich die Form der Carbid- Partikel in die metallische Matrix einbetten und gleichzeitig eine besonders homogene Verteilung der Carbide in der metallischen Matrix erzielen. Bei einer günstigen Variante der Erfindung weist das eingelagerte Carbid in der metallischen Matrix eine Verteilung auf, die einer Gefügestruktur mit regelmäßigen Einschlüssen entspricht.
Idealerweise ist das eingelagerte Carbid ein Wolframcarbid und/oder ein Titancarbid und/oder eine Mischung daraus.
Wolframcarbid ist sehr hart (Mohshärte = 9,5) und schmilzt bei 2785 °C. Dabei weist Wolframcarbid eine Zugfestigkeit von mehr als 3500 MPa und eine Druckfestigkeit bis 6000 MPa auf.
Titancarbid zeichnet sich durch eine besonders hohe Härte von bis zu 4000 HV aus.
Die Biegebruchfestigkeit liegt bei 240 - 400 MPa und der Elastizitätsmodul bei 550 - 570 GPa.
Vorteilhafterweise wird das Carbid durch eine pulverförmige Mischung verschiedener Carbid-Partikel gebildet. Dabei können die Anteile massenspezifisch eingewogen und durch intensives Mischen eine Gleichverteilung erzielt werden.
Des Weiteren kann der Anteil an Carbid und/oder an Carbidmischung ebenfalls durch massenspezifische Einwaage zur pulverförmigen metallischen Matrix eingestellt werden und durch intensive Mischung der pulverförmigen Teilchen das Ausgangsgemisch für das selektive Laserschmelzen erzeugt werden.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung beträgt die Partikelgröße 10 - 40 pm und ist in Abhängigkeit der Anforderung in der Pulvermischung einstellbar.
Für die Erzeugung von Körpern bzw. Bauteilen aus dem Verbundwerkstoff, der besonders belastete Geometriebereiche aufweist, kann auch eine an die Belastung angepasste Pulvermischung erzeugt werden, beispielsweise durch einen höheren Anteil an Carbid in der Pulvermischung. Mithilfe von Abgrenzungen kann beim selektiven Laserschmelzen dann bereichsweise modifiziertes Pulver aufgebracht und aufgeschmolzen werden, wodurch ein Bauteil mit an die Belastung angepassten Geometriebereichen erzeugt werden kann.
Bei einer Variante der Erfindung kann die metallische Matrix nahezu kohlenstofffrei ausgebildet sein. Eine solche Matrix kann beispielsweise ein Edelstahl bilden, vorzugsweise ein 1 .4401 , 1 .4404 und/oder 1 .4435, die zur V4A Gruppe gehören und die durch den Zusatz von 2 - 2,5 % Molybdän auch bei Anwesenheit von Chloriden eine gute Korrosionsbeständigkeit zeigen.
Alternativ und/oder ergänzend können die metallischen Pulverteilchen auch auf Basis von Alloy718, 2.4668, ausgebildet sein. Alloy718 ist eine ausscheidungshärtbare Nickel- Chrom-Legierung mit Zusätzen von Niob, Molybdän, Aluminium und Titan für verbesserte Korrosionsbeständigkeit in Kombination mit extrem hoher Festigkeit.
Bei einer günstigen Variante beträgt der Anteil an Carbid in der Pulvermischung mehr als 4 %, vorzugsweise mehr als 8 %, insbesondere mehr als 12 %, Wolframcarbid. Dadurch erhöht sich der Verschleißschutz des Verbundwerkstoffes in Kontakt mit abrasiven Medien wie Sand und Feststoffen beispielsweise in einem korrosiven Medium enorm.
Bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung des Verbundwerkstoffs im Vergleich zu einem Hartguss erhöht sich die Härte von 290 auf 410 HBW und die Dehngrenze RPO,2 von 638 MPa auf 933 MPa. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff, der mithilfe des selektiven Laserschmelzens hergestellt wird, erzielt im Vergleich mit bekannten Werkstoffen deutlich verbesserte Werkstoffeigenschaften.
Beispielsweise weist der Verbundwerkstoff zwischen der metallischen Matrix und den Carbid-Partikeln eine Anbindungszone auf.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Carbid-Partikel in der metallischen Matrix eingebettet. Die Carbid-Partikel werden vorzugsweise durch das besondere generative Herstellungsverfahren, insbesondere das Pulverbettverfahren oder das Laserpulverauftragsschweißen, gut in bzw. an die metallische Matrix, beispielsweise einer Eisenbasis- oder der Nickelbasislegierung, angebunden. Das ist beispielsweise an Bruchbildern, insbesondere von Probestäben des Zugversuchs, sichtbar, bei denen ein Bruch durch einen Carbid-Partikel erkennbar ist. Die An- bzw. Aufschmelzzone um jeden Carbid-Partikel herum bindet die Partikel fest in die metallische Matrix ein.
Beispielsweise weist der Verbundwerkstoff durch das besondere generative Herstellungsverfahren eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der metallischen Matrix und den Carbid-Partikeln auf. Diese stoffschlüssige Verbindung realisiert eine erhebliche Steigerung der Festigkeit des Verbundwerkstoffs.
Die Legierungspulverpartikel werden beim generativen Herstellungsverfahren des Verbundwerkstoffs an- und/oder aufgeschmolzen, so dass beispielsweise in der flüssigen Phase Diffusionsprozesse stattfinden können. Optional kann dabei Wolfram bzw. Titan in die metallische Matrix hinein diffundieren und zur Verfestigung der Anbindungszone beitragen.
Die Carbid-Partikel innerhalb des Verbundwerkstoffs verbessern beispielsweise das Verschleißverhalten des Verbundwerkstoffs deutlich. Dabei beträgt der Strahlverschleiß bei einer Beeinträchtigung des Verbundwerkstoffs mit einer 30 g/L Quarzsandsuspension mit einer Partikelgröße des Quarzsandes von 100 pm sowie einer Anstrahlgeschwindigkeit von 20 m/s sowie einem Anstrahlwinkel von 45 ° 0,71 mm3/kJ. Zum Vergleich zu einem Alloy718 ohne an- und/oder eingebundene Carbid-Partikel liegt der Strahlverschleiß bei 2,18 mm3/kJ.
Beispielsweise weisen die Carbid-Partikel eine runde und/oder kantige Partikelform auf. Unabhängig von der Partikelform sind die Partikel hervorragend in die metallische Matrix eingebunden. Gemäß der Erfindung wird der Verbundwerkstoff in einem Verfahren zur additiven bzw. generativen Fertigung erzeugt. Dazu wird eine Pulvermischung aus Legierungs- und Carbidpulver erzeugt, die Pulvermischung auf eine Unterlage aufgebracht und durch selektives Einwirken einer Strahlung auf eine schichtweise Pulvermischung aufgeschmolzen und zu einem Verbundwerkstoff erstarren gelassen. Mithilfe eines dreidimensionalen Datensatzes kann somit ein komplettes Bauteil, vorzugsweise ein strömungsführendes Bauteil, beispielsweise ein Pumpenlaufrad, aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ausgebildet werden.
Beim Pulverbettverfahren bzw. beim selektiven Laserschmelzen wird das Pulver des Verbundwerkstoffs auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch punktgenaue Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur eines Bauteils schrittweise in das Pulverbett eingeschmolzen und wachsen beim Wiedererstarren mit den darunterliegenden und benachbarten Strukturen zusammen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen.
Ein Verbundwerkstoff wird mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren festen, pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt.
Beim selektiven Laserschmelzen wird der Verbundwerkstoff mit entsprechenden Bauteilmaßen nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht einer pulverförmigen Mischung aus Verbundwerkstoffpartikel auf eine Unterlage aufgebracht wird. Dann wird der pulverförmige Verbundwerkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und der fertige Verbundwerkstoff oder das Bauteil aus Verbundwerkstoff entstanden ist. Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher den Verbundwerkstoff aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird Verbundwerkstoff aus pulverförmigen Partikeln durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Unterschiedliche Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können dabei durch Variationen der Strahlung generiert werden. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau des Verbundwerkstoffs eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es, in einem Bereich des Verbundwerkstoffs Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
Idealerweise wird das Carbid in der metallischen Matrix des Verbundwerkstoffs durch das selektive Laserschmelzen in einer Gleichverteilung eingelagert. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Härte und der Festigkeit des Verbundwerkstoffs.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung kann der Anteil an Carbid in der Pulvermischung zur gezielten Steigerung der Zugfestigkeit bei der Erzeugung der Pulvermischung eingestellt werden. So lässt sich beispielsweise der Anteil an Carbid partiell oder generell steigern, um die Härte von besonders mechanisch beeinträchtigten Oberflächen des Verbundwerkstoffs zu erhöhen.
Prinzipiell kann ein Bauteil aus dem Verbundwerkstoff durch selektives Laserschmelzen erzeugt werden, der Bereiche aufweist, die mit unterschiedlichen Mischungen der pulverförmigen Partikel aufgeschmolzen werden. Beispielsweise kann der Anteil an Wolfram- und/oder Titancarbid an die Belastungssituation von Bauteilen aus Verbundwerkstoff angepasst werden. Dies kann vorzugsweise mit einem höherem Carbidanteil und oder variierter Strahlungsenergie erfolgen. Bei einer Variante der Erfindung können beispielsweise geschädigte Bauteile mithilfe einer erfindungsgemäßen Pulvermischung aus Verbundwerkstoff und dem Einsatz des selektiven Laserschmelzens repariert und durch einen modifizierten Anteil an Carbid beständig an die vorhandene Belastungssituation angepasst werden.
Optional wird der Verbundwerkstoff im Laserpulverauftragsschweißverfahren erzeugt.
Beispielsweise wird der Verbundwerkstoff erzeugt, in dem eine gerichtete Strahlung einer Energiequelle, vorzugsweise ein gerichteter Laserstrahl, eine Oberfläche an- und/oder aufschmilzt und über eine Pulverabgabeeinrichtung mit mindestens einem Pulverkanal eine pulverförmige Werkstoffmischung in die Schmelze des Verbundwerkstoffkörpers eingebracht wird.
Idealerweise ist das Verfahren zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffs als Laserauftragsschweißen (auch als Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD) oder Direct Energy Deposition (DED) bezeichnet) ausgeführt.
Bevorzugt wird auf einer Körperoberfläche eines Verbundwerkstoffs mittels eines Lasers ein Schmelzbad erzeugt oder ein die Körperoberfläche bildender Grundwerkstoff erwärmt. Das Schmelzbad kann auch allgemein Prozesszone genannt werden, die das erwärmte oder aufgeschmolzene Material des Körpers umfasst. Das Schmelzbad kann bspw. einige Hundert Mikrometer betragen. Mittels einer Pulverabgabeeinrichtung, meist in Form einer Düse, wird automatisiert die Pulvermischung des Verbundwerkstoffs eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Raupen bzw. flächige Materialschichten, die den Körper des Verbundwerkstoffs bilden.
Das Laserauftragsschweißen ermöglicht bspw. das Aufbringen von dreidimensionalen Strukturen auf bestehenden oder neuen, ggf. auch unebenen Körperflächen.
Anspruchsvolle Körpergeometrien können generativ erzeugt und Veränderungen der Pulverzusammensetzungen einfach angepasst werden. Beim Laserauftragsschweißen wird üblicherweise eine Matenalabscheidungseinheit mit einer Lasereinheit verwendet, die den Laserstrahl auf einen Körper richtet, während die Pulverabgabeeinrichtung Pulver in gerichteter Form an den Körper abgibt.
Die Pulverabgabeeinrichtung ist dabei üblicherweise derart ausgebildet, dass sie das Materialpulver über eine Düse oder mehrere Pulverabgabeeinheiten, die beispielsweise als Pulveraustrittsöffnungen ausgebildet sein können, in Richtung des Werkstücks bzw. des Körpers abgibt. Hieraus resultiert ein oder eine Mehrzahl an Pulverstrahlen. Diese Pulverstrahlen werden in einer Materialfokuszone zentriert.
Die Pulverabgabeeinheiten weisen mehrere Pulverkanäle auf. Dabei entspricht die Anzahl der Pulverkanäle der Anzahl der Pulverabgabeeinheiten. So sind beispielsweise bei sieben Pulverabgabeeinheiten sieben Pulverkanäle vorgesehen. Die Pulveraufteileinheit kann somit homogene oder heterogene Materialströme aus Legierungspulver und/oder Carbidpulver in unterschiedlichen Anteilen bereitstellen. Darüber hinaus können auch unterschiedliche, pulverförmige Bestandteile an Carbidpulver gemischt in einer Schicht des Verbundwerkstoffs ausgebildet werden.
Gemäß der Erfindung wird ein additiv gefertigter Verbundwerkstoff zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Gefügebild eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes,
Fig. 2 ein weiteres, vergrößertes Gefügebild. Fig. 1 zeigt ein mikroskopisches Gefügebild des mit V2A-Beize behandelten Verbundwerkstoffs mit 200facher Vergrößerung. Die metallische Matrix basiert auf einem Alloy718, 2.4668, mit einem Anteil an Wolframcarbid von 12 %. Die metallische Matrix weist eine gut verschmolzene, zusammenhängende Struktur auf, während die Wolfram partikel nahezu rund bzw. kreisförmig in die metallische Matrix eingebettet sind. Dabei beträgt die durchschnittliche Größe der Wolframcarbid-Partikel 10 - 40 m. Die Wolframcarbid-Partikel sind gleichverteilt und weisen eine homogene Anordnung auf. Bei 12 % Wolframcarbid-Anteil beträgt die durchschnittliche Anzahl der Partikel pro mm2 200 - 250.
Fig. 2 zeigt ein mikroskopisches Gefügebild des mit V2A-Beize behandelten Verbundwerkstoffs mit 500facher Vergrößerung. Die metallische Matrix basiert auf einem Alloy718, 2.4668, mit einem Anteil an Wolframcarbid von 12 %. Die Wolframcarbid-Partikel sind in nahezu kreisrunder Form ausgebildet und weisen eine Größe von 20 - 30 pm auf. Die Abstände der Wolframcarbid-Partikel betragen ca. 30 - 60 pm und weisen eine Gleichverteilung und homogene Anordnung auf.
Die in Fig. 2 gezeigten Wolframcarbid-Partikel weisen jeweils eine Aufschmelzzone auf, die in Form eines ringförmigen Streifens um die runden Wolframcarbid-Partikel angeordnet sind. Diese An- bzw. Aufschmelzzonen entstehen bei der Ausbildung des Verbundwerkstoffs im Pulverbettverfahren, wobei auch Wolfram in feststellbaren Mengen in die metallische Matrix diffundiert. Diese An- bzw. Aufschmelzzone zeigt eine hervorragende Anbindung der Wolframcarbid-Partikel in und an die metallische Matrix.

Claims

Patentansprüche Verbundwerkstoff mit eingelagertem Carbid
1. Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix aus Eisen und/oder Nickel, der eingelagerte Carbide aufweist, zur gezielten Veränderung der mechanischen und technischen Eigenschaften gegenüber der metallischen Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einen Anteil an Mischcarbiden von weniger als 0,5 Vol.-% aufweist.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff keine Mischcarbide aufweist.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbid als Partikel in der metallischen Matrix eingebettet ist.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eingelagerte Carbid in der metallischen Matrix eine homogene Anordnung aufweist.
5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des eingelagerten Carbids mindestens um den Faktor 1 ,2, vorzugsweise um den Faktor 1 ,4, insbesondere um den Faktor 1 ,6, höher ist als die Schmelztemperatur der metallischen Matrix.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eingelagerte Carbid in der metallischen Matrix eine Verteilung aufweist, die einer Gefügestruktur mit regelmäßigen Einschlüssen entspricht.
7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff unterschiedliche Monocarbide aufweist.
8. Verfahren zur additiven Herstellung eines Verbundwerkstoffs für ein Bauteil mit folgenden Schritten:
- Erzeugung einer Pulvermischung aus Legierungs- und Monocarbidpulver
- Selektives Einwirken einer Strahlung auf eine schichtweise Pulvermischung
- Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff im Pulverbettverfahren erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff im Laserauftragsschweißverfahren erzeugt wird.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbide in der metallischen Matrix des Verbundwerkstoffs in einer Gleichverteilung eingelagert werden.
12. Verwendung eines additiv gefertigten Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften.
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