EP4665523A1 - Carbide in eisen- und nickelbasiswerkstoffen - Google Patents

Carbide in eisen- und nickelbasiswerkstoffen

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EP4665523A1
EP4665523A1 EP24706008.0A EP24706008A EP4665523A1 EP 4665523 A1 EP4665523 A1 EP 4665523A1 EP 24706008 A EP24706008 A EP 24706008A EP 4665523 A1 EP4665523 A1 EP 4665523A1
Authority
EP
European Patent Office
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composite material
carbide
iron
particles
nickel
Prior art date
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Pending
Application number
EP24706008.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ewald HÖLZEL
Andrea Kühl
Fank RIEDELBAUCH
Manuel RÜHR
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KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
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Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
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Pending legal-status Critical Current

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    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a composite material made of an iron-based or nickel-based alloy with integrated carbide and/or bond particles.
  • Components made of composite materials with enclosed hard materials such as carbides or bonds can be produced by casting into a mold or by sintering a compact.
  • Iron-based alloys are materials whose main component is iron and which usually contain the chemical element carbon. Iron-based alloys in the form of steel or cast iron form the basis of the technical alloys that are widely used today.
  • Nickel-based alloys are materials whose main component is nickel and which are usually produced using a melting process with at least one other chemical element. These alloys have good corrosion and/or high temperature resistance.
  • Metallic carbide compounds are formed by the elements of the 4th to 6th transition groups. Typical examples are titanium, tantalum and tungsten. They usually do not have a precisely defined stoichiometry. Rather, the carbon atoms are embedded in the tetrahedral gaps or, depending on their size relative to the metal, in the octahedral gaps of the metal lattice and form intercalation compounds or interstitial Compounds. These substances are characterized by high mechanical and thermal stability and high melting points of over 3000 °C and are used as hard materials and ceramics in chemical equipment and plant construction, for coating grinding tools and for producing hard metal inserts for cutting tools.
  • borides are materials for the highest demands and are used, for example, in high-temperature furnaces, turbine blades and rocket nozzles.
  • the most important boride is probably titanium boride (TiB2), which is characterized by its high hardness, high melting point of over 3200 °C and its electrical conductivity and is used under corresponding extreme conditions.
  • DE 60 2005 004 301 T2 discloses a material suitable for the production of parts or coatings for applications with high wear and intensive friction, wherein the material comprises prefabricated hard material particles made of carbides which are applied by means of flame spraying or plasma powder welding and which are embedded in a matrix made of a relatively soft base material, wherein the carbide particles are prefabricated spherical particles with a hardness in the range between 1000 and 2000 HV/10 and wherein the base material is a nickel-based alloy which additionally contains C, Cr, Mo, Fe, Si, B and Cu in the following ranges (in wt. %): C 0.005 - 1.0; Cr 10.0 - 26.0; Mo 8.0 - 22.0; Fe 0.1 - 10.0; Si 3.0 - 9.0; B 1.0 - 5.0; Cu 0.1 - 5.0.
  • 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.
  • 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 made of an iron-based or nickel-based alloy into which carbides or borides can be introduced in the form of particles.
  • the carbides or borides should have a good bond to the iron-based or nickel-based alloy.
  • the composite material should have improved tensile strength and optimized hardness without exhibiting particularly brittle properties.
  • the composite material should be able to be constructed into a component without any limiting boundary conditions.
  • the composite material should be easy and inexpensive to produce.
  • the proportion of carbide and/or boride particles is more than 1 vol.% and/or less than 35 vol.%.
  • the proportion of carbide and/or bond particles is more than 2 vol.%, preferably more than 5 vol.%, in particular more than 8 vol.% and/or less than 30 vol.%, preferably less than 25 vol.%, in particular less than 20 vol.%.
  • the composite material has a well-defined proportion of carbide and/or bond particles, so that an improvement in the mechanical-technological properties can be achieved without the composite material exhibiting adverse brittleness.
  • Carbide particles used include particles made of tungsten carbide and/or titanium carbide.
  • the composite material has a bonding zone between the iron-based or nickel-based alloy and the carbide and/or bond particles.
  • the carbide and/or bond particles are embedded in the iron-based or nickel-based alloy.
  • the carbide and/or boride particles are preferably well bonded into or to the metallic matrix of the 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 through the carbide or boride particle is recognizable.
  • the melting or melting zone around each carbide or boride particle firmly bonds the particles into the metallic matrix.
  • the composite material has a material bond between the iron-based or nickel-based alloy and the carbide and/or bond 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 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 and/or boride 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 carbide or boride particles, the jet wear is 2.18 mm 3 /kJ.
  • the elastic elongation and the RPO,2 yield strength of the composite material are significantly improved, for example, by the incorporation of tungsten carbide particles and by the uniform arrangement of the tungsten carbide particles in the metallic matrix.
  • the RPO,2 yield strength is 933 MPa for the tensile rod made of Alloy718 with 12% tungsten carbide content and is significantly improved compared to the RPO,2 yield strength for the tensile rod made of Alloy718 with 636 MPa.
  • the tensile strength of an Alloy718 could be improved from 965 MPa to 1288 MPa by incorporating the tungsten carbide content of 12%.
  • the plastic elongation in the form of the elongation at break is reduced from 31.6% to 5.2%.
  • the composite material based on an iron or nickel-based alloy is mechanically and technologically improved by the characteristics of the carbides and/or borides.
  • the composite material has optimized elastic elongation, while the plastic strain is reduced without exhibiting the plastic strain behavior of a ceramic.
  • the carbide and/or bond 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 has a plurality of layers with a layer thickness, wherein the size of at least 80% of the carbide and/or bond particles is less than a factor of 1.5 larger or less than a factor of 1.5 smaller than the layer thickness.
  • the composite material is preferably produced in layers using a powder bed process or laser cladding, whereby the layer thicknesses are formed depending on the particle size of the powder mixture.
  • the particle sizes of the alloy powder are comparable to the particle size of the carbides or borides, so that a uniform layer with an exact layer thickness and an advantageous component surface can be produced.
  • the size of more than 80% of the iron-based or nickel-based alloy particles is more than 5 pm, preferably more than 10 pm, in particular more than 15 pm, and/or less than 50 pm, preferably less than 45 pm, in particular less than 40 pm.
  • the size of more than 80% of the carbide or bond particles is more than 5 pm, preferably more than 10 pm, in particular more than 15 pm, and/or less than 50 pm, preferably less than 45 pm, in particular less than 40 pm.
  • carbides or borides are usually formed from the melt, in particular from carbon or boron dissolved in the matrix of the melt with one or more elements from the melt. These elements can for example, by adding scrap or recycled material or other impurities to the melt. In this respect, the formation of 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 comprises exclusively monocarbides or monoborides. These are precisely the carbides and/or borides 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 and/or borides into the composite material and thus the desired design of the mechanical-technological material properties.
  • the embedded carbide and/or bond particles in the metallic matrix of the iron-based alloy and/or the nickel-based alloy have a homogeneous arrangement. This corresponds to an arrangement that cannot be achieved by producing a chilled casting or sintered casting.
  • Homogeneity refers to the equality of a property across the entire extent of a system or the similarity of elements of a system. Ideally, the arrangement of the embedded carbide and/or bond particles 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 embedded carbide and/or bond particles in the metallic matrix cannot be produced from the melt, in particular by oversaturation of the metallic matrix.
  • this homogeneous arrangement of the carbide and/or bond particles in the metallic matrix cannot be achieved by precipitation at grain boundaries.
  • the composite material for producing a component is produced in a process for additive or generative manufacturing.
  • a powder mixture of alloy and carbide powder or boride powder is produced, the powder mixture is applied to a substrate and melted by selectively applying radiation to a layered powder mixture 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 composite material is produced using the powder bed process.
  • the powder mixture 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 from a powder mixture of alloy and carbide powder or boride powder.
  • the layer-by-layer construction is computer-controlled from a powder mixture 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 powder mixture of particles of a powder mixture is first applied to a base. The powder composite material is then completely melted locally at the desired locations using radiation and a solid layer of material forms after solidification. The base 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 mixture 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 a mixture of powdered particles by successively melting and solidifying layers using radiation.
  • Different properties of the composite material can also 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 powder bed process can be used to produce a composite material that contains only monocarbides or monobonds. This is not the case when producing a composite material from the melt, as mixed carbides are automatically created.
  • the special properties of the composite material are based primarily on the uniform arrangement of the monocarbides in the composite material and the good bonding of the monocarbides or monoborides in the alloy matrix.
  • the carbides or borides are evenly distributed in the metallic alloy matrix of the composite material through selective laser melting. This leads to a significant increase in the wear resistance and strength of the composite material.
  • 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 carbides or borides.
  • the composite material is produced using a laser cladding process.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • seven powder dispensing units have seven powder channels.
  • the powder distribution unit can therefore process homogeneous or heterogeneous material flows from Provide iron-based alloy powder and/or nickel-based alloy powder and/or carbide or boride powder in different proportions.
  • different powdery components of carbide or boride powder can be mixed in a layer of the composite material.
  • an additively manufactured composite material is used to improve the mechanical-technological material properties, in particular the yield strength R P o,2 and the wear resistance.
  • Fig. 1 a microscopic magnification 1600x of a microstructure image of the composite material made of Alloy718 with 12% tungsten carbide
  • Fig. 2 a microscopic magnification 1000 times of a microstructure image of the composite material made of Alloy718 with 12 % titanium carbide,
  • Fig. 3 a stress-strain diagram.
  • Fig. 1 shows a microscopic image of the composite material treated with V2A pickling at 1600x magnification.
  • the metallic matrix is based on an alloy 718, 2.4668, with a tungsten carbide content of 12%.
  • the metallic matrix has a well-fused, coherent structure, while the tungsten carbide 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 pm.
  • the tungsten carbide particles are evenly distributed and have a homogeneous arrangement.
  • the average number of particles per mm 2 is 200 - 250.
  • the tungsten carbide particle shown in Fig. 1 has a melting zone that is arranged in the form of a light gray stripe around the round tungsten carbide particle. This melting zone is created when the composite material is formed in the powder bed process, with tungsten also diffusing in detectable quantities into the iron-based alloy matrix. This melting zone shows an excellent bonding of the tungsten carbide particles in and to the matrix of the iron-based alloy.
  • Fig. 2 shows a microscopic image of the composite material treated with V2A pickling at 1000x magnification.
  • the metallic matrix is based on an Alloy718, 2.4668, with a titanium carbide content of 12%.
  • the metallic matrix has a well-fused, coherent structure, while the titanium carbide particles are embedded in the metallic matrix in an angular and angular manner.
  • the average side length of the titanium carbide particles is 10 - 30 pm.
  • the titanium carbide particles are evenly distributed and have a homogeneous arrangement. With 12% titanium carbide content, the average number of particles per mm 2 is 150 - 250.
  • a thin melting zone can be seen around the individual titanium carbide particles, which ensures good bonding of the titanium carbide particles in and to the metallic matrix of the Alloy718.
  • Fig. 3 shows a stress-strain diagram in which the stress-strain curve during a tensile test according to DIN EN ISO 6892-2 is plotted for a test bar made of Alloy718 and for a test bar made of Alloy718 with 12% tungsten carbide.
  • the elastic strain and the RPO,2 yield strength are determined by the incorporation of the tungsten carbide particles as well as by the uniform arrangement of the tungsten carbide particles in the metallic matrix.
  • the RPO,2 yield strength is 933 MPa for the tensile bar made of Alloy718 with 12 % tungsten carbide content and is enormously increased compared to the RPO,2 yield strength for the tensile bar made of Alloy718 with
  • the tensile strength was improved from 965 MPa to 1288 MPa by incorporating the tungsten carbide component.
  • the plastic elongation in the form of the elongation at break was reduced from 31.6% to 5.2%.
  • the incorporation of the tungsten carbide particles into the metallic matrix made of Alloy718 moderately increases the brittleness, but the special connection and the uniform arrangement in the structure lead to a brittleness that is significantly lower than would be expected from the proportion of tungsten carbide particles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus einer Eisenbasis- oder Nickelbasis- legierung mit integrierten Carbid- und/oder Borid-Partikeln. Der Anteil an den Carbid- und/oder Borid-Partikeln beträgt mehr als 1 Vol.-% und/oder weniger als 35 Vol.-%.

Description

Beschreibung
Carbide in Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus einer Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung mit integrierten Carbid- und/oder Bondpartikeln.
Bauteile aus Verbundwerkstoffen mit eingeschlossenen Hartstoffen wie Carbiden oder Bonden kann man bekannterweise durch Gießen in eine Form erzeugen oder durch Sintern eines Presslings herstellen.
Eisenbasislegierungen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die meist das chemische Element Kohlenstoff in Verbindung aufweisen. Eisenbasislegierungen in Form von Stahl oder Gusseisen bilden die Basis der heute vielfältig eingesetzten technischen Legierungen.
Nickelbasislegierungen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Nickel ist und die mit mindestens einem anderen chemischen Element meist mittels eines Schmelzverfahrens erzeugt werden. Diese Legierungen verfügen über eine gute Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeständigkeit.
Metallische Carbidverbindungen werden von den Elementen der 4. bis 6. Nebengruppe gebildet. Typische Beispiele sind Titan, Tantal und Wolfram. Sie besitzen in der Regel keine exakt definierte Stöchiometrie. Vielmehr sind die Kohlenstoffatome in die Tetraederlücken bzw. je nach Größenverhältnis zum Metall in die Oktaederlücken der Metallgitter eingelagert und bilden Einlagerungsverbindungen oder interstitielle Verbindungen. Diese Substanzen zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität und hohe Schmelzpunkte von über 3000 °C aus und dienen als Hartstoffe und Keramiken im chemischen Apparate- und Anlagenbau, zur Bestreuung von Schleifwerkzeugen sowie zur Herstellung von Hartmetall-Einsätzen für Schneidewerkzeuge.
Bei den meisten Bonden handelt es sich um Verbindungen mit Metallen, von denen viele keramische Eigenschaften aufweisen und so zu den Nichtoxidkeramiken gezählt werden. Die Verwendung der Boride beschränkt sich in der Regel auf Spezialanwendungen. Wegen ihrer Härte, ihrer chemischen und thermischen Resistenz sind die Boride Werkstoffe für höchste Ansprüche und werden beispielsweise in Hoch- temperaturöfen, in Turbinenflügeln und in Raketendüsen eingesetzt. Das wohl bedeutsamste Borid ist Titanborid (TiB2), welches sich durch seine hohe Härte, den hohen Schmelzpunkt bei über 3200 °C und seine elektrische Leitfähigkeit auszeichnet und unter entsprechenden Extrembedingungen Anwendung findet.
Die DE 60 2005 004 301 T2 offenbart einen Werkstoff, geeignet für die Herstellung von Teilen oder Beschichtungen für Anwendungen bei hohem Verschleiß und intensiver Reibung, wobei der Werkstoff vorgefertigte Hartstoffpartikel aus Carbiden umfasst, die mittels Flammspritzen oder Plasmapulverschweißens aufgebracht werden, die in einer Matrix aus einem relativ weichen Basismaterial eingebettet sind, wobei die Carbid- Partikel vorgefertigte sphärische Partikel mit einer Härte im Bereich zwischen 1000 und 2000 HV/10 sind und wobei das Basismaterial eine Nickelbasislegierung ist, die zusätzlich C, Cr, Mo, Fe, Si, B und Cu in den folgenden Bereichen enthält (in Gew.-%): C 0,005 - 1 ,0; Cr 10,0 - 26,0; Mo 8,0 - 22,0; Fe 0,1 - 10,0; Si 3,0 - 9,0; B 1 ,0 - 5,0; Cu 0,1 - 5,0.
Hartguss ist metastabiles Gusseisen mit hohem Carbid-Anteil. Die metastabile Erstarrung führt zur Bildung von Ledeburit, welcher besonders hart und verschleißfest 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.
Ein Problem der aufgeführten und bekannten Werkstoffe besteht darin, dass nur Carbide bzw. Boride aus einem Guss heraus ausgeschieden werden können. Somit kann der Werkstoff auch nur Carbide aufweisen, die zuvor in die Gussmasse eingebracht wurden. Möchte man zur Schöpfung eines Werkstoffs für besondere Anwendungen weitere oder andere Carbide bzw. Boride in den Werkstoff einbringen, dann sind aufwändige Beschichtungsverfahren für eine Randschicht oder die Kreation eines Sinterwerkstoffs mit allen Vor- bzw. Nachteilen obligatorisch. Meist ist hier jedoch die Anbindung der Carbide bzw. Boride aufgrund der nicht vorhandenen chemischen Ähnlichkeit ein Problem.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Verbundwerkstoff aus einer Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung bereitzustellen, in den gezielt Carbide bzw. Boride in Form von Partikeln eingebracht werden können. Dabei sollen die Carbide bzw. Boride eine gute Anbindung zur Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung aufweisen. Zudem soll der Verbundwerkstoff eine verbesserte Zugfestigkeit und eine optimierte Härte aufweisen, ohne dabei besonders spröde Eigenschaften zu zeigen. Der Aufbau des Verbundwerkstoffs zu einem Bauteil sollte möglichst ohne begrenzende Randbedingungen möglich sein. Der Verbundwerkstoff sollte einfach und kostengünstig realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbundwerkstoff aus einer Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß beträgt der Anteil an den Carbid- und/oder Borid-Partikeln mehr als 1 Vol.-% und/oder weniger als 35 Vol.-%. Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung beträgt der Anteil an den Carbid- und/oder Bondpartikeln mehr als 2 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 5 Vol.-%, insbesondere mehr als 8 Vol.-% und/oder weniger als 30 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 25 Vol.-%, insbesondere weniger als 20 Vol.-%.
Der Verbundwerkstoff weist einen wohl definierten Anteil an Carbid- und/oder Bond- Partikeln auf, so dass eine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften erzielt werden kann, ohne dass der Verbundwerkstoff eine nachteilige Sprödigkeit aufweist.
Als Carbid-Partikel werden beispielsweise Partikel aus Wolframcarbid und/oder Titancarbid eingesetzt.
Beispielsweise weist der Verbundwerkstoff zwischen der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung und den Carbid- und/oder den Bond-Partikeln eine Anbindungszone auf.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Carbid- und/oder Bond-Partikel in der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung eingebettet.
Die Carbid- und/oder Borid-Partikel werden vorzugsweise durch das besondere generative Herstellungsverfahren, insbesondere das Pulverbettverfahren oder das Laserpulverauftragsschweißen, gut in bzw. an die metallische Matrix der Eisenbasisoder der Nickelbasislegierung angebunden. Das ist beispielsweise an Bruchbildern, insbesondere von Probestäben des Zugversuchs, sichtbar, bei denen ein Bruch durch den Carbid- bzw. Borid-Partikel erkennbar ist. Die An- bzw. Aufschmelzzone um jeden Carbid- bzw. Borid-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 Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung und den Carbid- und/oder den Bond-Partikeln. Diese stoffschlüssige Verbindung realisiert eine erhebliche Steigerung der Festigkeit des Verbundwerkstoffs. Die Legierungspulverpartikel werden beim generativen Herstellungsverfahren des Verbundwerkstoffs an- und 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- und/oder Borid-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 Carbid- oder Borid-Partikel liegt der Strahlverschleiß bei 2,18 mm3/kJ.
Die elastische Dehnung sowie die RPO,2 Dehngrenze des Verbundwerkstoffes sind beispielsweise durch die Einbindung von Wolframcarbid-Partikeln als auch durch die gleichmäßige Anordnung der Wolframcarbid-Partikel in der metallischen Matrix deutlich verbessert. So beträgt die RPO,2 Dehngrenze 933 MPa für den Zugstab aus Alloy718 mit 12 % Wolfram carbid-Anteil und ist im Vergleich zur RPO,2 Dehngrenze für den Zugstab aus Alloy718 mit 636 MPa deutlich verbessert. Die Zugfestigkeit bei einem Alloy718 konnte durch das Einbinden des Wolframcarbid-Anteils von 12 % von 965 MPa auf 1288 MPa verbessert werden. Dabei ist die plastische Dehnung in Form der Bruchdehnung von 31 ,6 % auf 5,2 % reduziert. Die Einbindung der Wolframcarbid- Partikel in die metallische Matrix aus Alloy718 erhöht moderat die Sprödigkeit, jedoch führt die besondere Anbindung als auch die gleichmäßige Anordnung im Gefüge zu einer Sprödigkeit, die deutlich geringer ausfällt als von einem solchen Anteil an Wolframcarbid-Partikel zu erwarten wäre.
Idealerweise ist der Verbundwerkstoff auf Basis einer Eisen- oder Nickelbasislegierung durch Merkmale der Carbide und/oder Boride mechanisch-technologisch verbessert. Beispielsweise weist der Verbundwerkstoff eine optimierte elastische Dehnung auf, während die plastische Dehnung reduziert ausgebildet ist ohne das plastische Dehnverhalten einer Keramik aufzuweisen.
Beispielsweise weisen die Carbid- und/oder Bond-Partikel eine runde und/oder kantige Partikelform auf. Unabhängig von der Partikelform sind die Partikel hervorragend in die metallische Matrix eingebunden.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung weist der Verbundwerkstoff eine Vielzahl von Schichten mit einer Schichtdicke auf, wobei die Größe von mindestens 80 % der Carbid- und/oder Bond-Partikel um weniger als den Faktor 1 ,5 größer oder um weniger als den Faktor 1 ,5 kleiner als die Schichtdicke ausgebildet ist.
Der Verbundwerkstoff wird vorzugsweise in Schichten mittels Pulverbettverfahren oder Laserauftragsschweißen erzeugt, wodurch die Schichtdicken abhängig von der Partikelgröße der Pulvermischung ausgebildet werden. Beispielsweise betragen die Partikelgrößen des Legierungspulvers eine vergleichbare Partikelgröße wie die Partikel der Carbide oder Boride, so dass eine einheitliche Schicht mit einer exakten Schichtdicke und einer vorteilhaften Bauteiloberfläche erzeugt werden kann.
Beispielsweise beträgt die Größe von mehr als 80 % der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierungspartikel mehr als 5 pm, vorzugsweise mehr als 10 pm, insbesondere mehr als 15 pm, und/oder weniger als 50 pm, vorzugsweise weniger als 45 pm, insbesondere weniger als 40 pm.
Optional beträgt die Größe von mehr als 80 % der Carbid- oder Bond-Partikel mehr als 5 pm, vorzugsweise mehr als 10 pm, insbesondere mehr als 15 pm, und/oder weniger als 50 pm, vorzugsweise weniger als 45 pm, insbesondere weniger als 40 pm.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffs mit Carbiden bzw. Bonden werden Carbide oder Boride meist aus der Schmelze, insbesondere aus in der Matrix der Schmelze gelöstem Kohlenstoff bzw. Bor 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, mechanisch-technologischen 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 bzw. Monoboride auf. Dabei handelt es sich exakt um die Carbide und/oder Boride, 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 und/oder Boride in den Verbundwerkstoff und somit die erwünschte Gestaltung der mechanischtechnologischen Werkstoffeigenschaften.
Optional weisen die eingelagerten Carbid- und/oder Bond-Partikel in der metallischen Matrix der Eisenbasislegierung und/oder der Nickelbasislegierung 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 der eingelagerten Carbid- und/oder Bond-Partikel einheitlich und/oder gleichmäßig und/oder gleichförmig und/oder gleichartig und/oder homogen in der metallischen Matrix ausgebildet.
Eine solche Anordnung bzw. Verteilung der eingelagerten Carbid- und/oder Bond- Partikel in der metallischen Matrix kann aus der Schmelze, insbesondere durch eine Übersättigung der metallischen Matrix, nicht erzeugt werden. Darüber hinaus kann diese homogene Anordnung der Carbid- und/oder Bond-Partikeln in der metallischen Matrix nicht durch Ausscheidungen an Korngrenzen erzielt werden.
Gemäß der Erfindung wird der Verbundwerkstoff zur Erzeugung eines Bauteils in einem Verfahren zur additiven bzw. generativen Fertigung erzeugt. Dazu wird eine Pulvermischung aus Legierungs- und Carbidpulver bzw. Boridpulver 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.
Beispielsweise wird der Verbundwerkstoff im Pulverbettverfahren erzeugt.
Beim Pulverbettverfahren bzw. beim selektiven Laserschmelzen wird die Pulvermischung 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 aus einer Pulvermischung aus Legierungs- und Carbidpulver bzw. Boridpulver erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einer Pulvermischung nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Hartungs- 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 Partikeln einer Pulvermischung 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 Pulvermischungsschichten 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 einer Mischung pulverförmiger Partikel durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Unterschiedliche Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können dabei auch durch eine Variation 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.
Beispielsweise kann mithilfe des Pulverbettverfahrens ein Verbundwerkstoff erzeugt werden, der ausschließlich einen Anteil an Monocarbiden bzw. Monobonden aufweist. Das ist bei der Erzeugung eines Verbundwerkstoffs aus der Schmelze so nicht bekannt, da dabei automatisch Mischcarbide entstehen. Die besonderen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs basieren vorzugsweise auf der gleichmäßigen Anordnung der Monocarbide im Verbundwerkstoff sowie durch die gute Anbindung der Monocarbide bzw. Monoboride in der Legierungsmatrix.
Idealerweise werden die Carbide bzw. Boride in der metallischen Legierungsmatrix des Verbundwerkstoffs durch das selektive Laserschmelzen in einer Gleichverteilung eingelagert. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Verschleißbeständigkeit und der Festigkeit des Verbundwerkstoffs.
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 Carbiden bzw. Boriden beständig an die vorhandene Belastungssituation angepasst werden.
Optional wird der Verbundwerkstoff im Laserauftragsschweißverfahren 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 Eisenbasislegierungspulver und/oder Nickelbasislegierungspulver und/oder Carbid- bzw. Boridpulver in unterschiedlichen Anteilen bereitstellen. Darüber hinaus können auch unterschiedliche, pulverförmige Bestandteile an Carbid- bzw. Boridpulver gemischt in einer Schicht des Verbundwerkstoffs ausgebildet werden.
Gemäß der Erfindung wird ein additiv gefertigter Verbundwerkstoff zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften, insbesondere der Dehngrenze RPo,2 und der Verschleißfestigkeit, 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 eine mikroskopische Vergrößerung 1600fach eines Gefügebildes des Verbundwerkstoffs aus Alloy718 mit 12 % Wolframcarbid,
Fig. 2 eine mikroskopische Vergrößerung 10OOfach eines Gefügebildes des Verbundwerkstoffs aus Alloy718 mit 12 % Titancarbid,
Fig. 3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm.
Fig. 1 zeigt ein mikroskopisches Gefügebild des mit V2A-Beize behandelten Verbundwerkstoffs mit 1600facher Vergrößerung. Die metallische Matrix basiert auf einem Alloy 718, 2.4668, mit einem Anteil an Wolframcarbid von 12 %. Die metallische Matrix weist eine gut verschmolzene, zusammenhängende Struktur auf, während die Wolframcarbid-Partikel nahezu rund bzw. kreisförmig in die metallische Matrix eingebettet sind.
Dabei beträgt die durchschnittliche Größe der Wolframcarbid-Partikel 10 - 40 pm. 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.
Das in Fig. 1 gezeigte Wolframcarbid-Partikel weist eine Aufschmelzzone auf, die in Form eines hellgrauen Streifens um das runde Wolframcarbid-Partikel angeordnet ist. Diese An- bzw. Aufschmelzzone entsteht bei der Ausbildung des Verbundwerkstoffs im Pulverbettverfahren, wobei auch Wolfram in feststellbaren Mengen in die Eisenbasislegierungsmatrix diffundiert. Diese An- bzw. Aufschmelzzone zeigt eine hervorragende Anbindung der Wolframcarbid-Partikel in und an die Matrix der Eisenbasislegierung.
Fig. 2 zeigt ein mikroskopisches Gefügebild des mit V2A-Beize behandelten Verbundwerkstoffs mit 1000facher Vergrößerung. Die metallische Matrix basiert auf einem Alloy718, 2.4668, mit einem Anteil an Titancarbid von 12 %. Die metallische Matrix weist eine gut verschmolzene, zusammenhängende Struktur auf, während die Titancarbid-Partikel kantig und eckig in die metallische Matrix eingebettet sind.
Dabei beträgt die durchschnittliche Seitenlänge der Titancarbid-Partikel 10 - 30 pm. Die Titancarbid-Partikel sind gleichverteilt und weisen eine homogene Anordnung auf. Bei 12 % Titancarbid-Anteil beträgt die durchschnittliche Anzahl der Partikel pro mm2 150 - 250.
Um die einzelnen Titancarbid-Partikel ist eine dünne Aufschmelzzone zu sehen, die eine gute Anbindung der Titancarbid-Partikel in und an die metallische Matrix des Alloy718 gewährleistet.
In Fig. 3 ist ein Spannungs-Dehnungsdiagramm dargestellt, in dem der Spannungsdehnungsverlauf während eines Zugversuchs nach DIN EN ISO 6892-2 für einen Probestab aus Alloy718 und für einen Probestab aus Alloy718 mit 12 % Wolframcarbid aufgetragen ist.
Die elastische Dehnung sowie die RPO,2 Dehngrenze sind durch die Einbindung der Wolframcarbid-Partikel als auch durch die gleichmäßige Anordnung der Wolframcarbid- Partikel in der metallischen Matrix deutlich verbessert. So beträgt die RPO,2 Dehngrenze 933 MPa für den Zugstab aus Alloy718 mit 12 % Wolframcarbid-Anteil und ist enorm gesteigert im Vergleich zur RPO,2 Dehngrenze für den Zugstab aus Alloy718 mit
636 MPa. Die Zugfestigkeit konnte durch das Einbinden des Wolframcarbid-Anteils von 965 MPa auf 1288 MPa verbessert werden. Dabei ist die plastische Dehnung in Form der Bruchdehnung von 31 ,6 % auf 5,2 % reduziert. Die Einbindung der Wolframcarbid- Partikel in die metallische Matrix aus Alloy718 erhöht moderat die Sprödigkeit, jedoch führt die besondere Anbindung als auch die gleichmäßige Anordnung im Gefüge zu einer Sprödigkeit, die deutlich geringer ausfällt als von dem Anteil an Wolframcarbid- Partikel zu erwarten wäre.

Claims

Patentansprüche Carbide in Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen
1. Verbundwerkstoff aus einer Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung mit integrierten Carbid- und/oder Bond-Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Carbid- und/oder Bond-Partikeln mehr als 1 Vol.-% und/oder weniger als 35 Vol.-% beträgt.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Carbid- und/oder Bond-Partikeln mehr als 2 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 5 Vol.- %, insbesondere mehr als 8 Vol.-%, und/oder weniger als 30 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 25 Vol.-%, insbesondere weniger als 20 Vol.-%, beträgt.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff zwischen der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung und den Carbid- und/oder den Bond-Partikeln eine Anbindungszone aufweist.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung und den Carbid- und/oder den Bond- Partikeln aufweist.
5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Vielzahl von Schichten mit einer Schichtdicke aufweist, wobei die Größe von mindestens 80 % der Carbid- und/oder Bond- Partikeln um weniger als den Faktor 1 ,5 größer und/oder um weniger als den Faktor 1 ,5 kleiner als die Schichtdicke ausgebildet ist.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe von mehr als 80 % der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierungspartikel mehr als 5 pm, vorzugsweise mehr als 10 pm, insbesondere mehr als 15 pm, und/oder weniger als 50 pm, vorzugsweise weniger als 45 pm, insbesondere weniger als 40 pm, beträgt.
7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbid- und/oder Bond-Partikel in der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung eingebettet sind.
8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbid- und/oder Bond-Partikel in der Eisenbasis- oder Nickelbasislegierung eine homogene Anordnung aufweisen.
9. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff keine Mischcarbide aufweist.
10. Verfahren zur additiven Herstellung eines Verbundwerkstoffs für ein Bauteil mit folgenden Schritten:
- Erzeugung einer Pulvermischung aus Legierungs- und Carbidpulver und/oder Boridpulver
- Selektives Einwirken einer Strahlung auf eine schichtweise Pulvermischung
- Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff
11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff im Pulverbettverfahren erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff im Laserauftragsschweißverfahren erzeugt wird.
13. Verwendung eines additiv gefertigten Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften.
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