WO2003015964A1 - Herstellung eines metallschaumkörpers - Google Patents

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WO2003015964A1
WO2003015964A1 PCT/DE2002/002889 DE0202889W WO03015964A1 WO 2003015964 A1 WO2003015964 A1 WO 2003015964A1 DE 0202889 W DE0202889 W DE 0202889W WO 03015964 A1 WO03015964 A1 WO 03015964A1
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gas
mixture
metal
producing
metal powder
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PCT/DE2002/002889
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Rainer Bohn
Rüdiger BORMANN
Georg Fanta
Thomas Klassen
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Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metal 1 foam body from a metal powder and a metal 1 show body.
  • the invention relates to the use of a noble gas.
  • Methods for producing metal 1 foam bodies are known in which a gas-releasing blowing agent is added to an alloy powder or a powder mixture of alloy components. An unexpanded semifinished product is produced from this and this semifinished product is then foamed by heating to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent, preferably in the temperature range of the melting point of the metal alloy. The foamed body is then cooled. The semi-finished product can be foamed freely or in a mold.
  • One way to produce metal foams from high-melting alloys, such as Ti Al alloys, is to sinter the powder of the alloys to open-cell foams. The densities are between 60 and 80% because they are massive powder particles.
  • metal 1 foam A further possibility of producing metal 1 foam is achieved by coating styrofoam balls and subsequent sintering, the styrofoam balls being burned out.
  • these two processes mentioned for metal 1 foam production from high-melting alloys are very complex.
  • DE-A-198 10 979 discloses a manufacturing process in which at least one gas-releasing propellant powder is added to a metal powder.
  • the foaming takes place by heating to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent, so that the blowing agent releases the enclosed gas.
  • this known method is unsuitable for producing foams from high-melting alloys.
  • the object of the present invention to enable the production of metal foams from alloys, for example titanium aluminum alloys, or the foaming of ceramic-like materials or hard metals.
  • the object is achieved by means of a method for producing a metal 1 foam body from a metal powder, in which the following steps are carried out: introducing at least one gas or gas mixture into the metal powder and producing a mixture, compressing the mixture, foaming the mixture by heating.
  • a gas or gas mixture as the blowing agent has the essential advantage that the foaming temperature depends exclusively on the material to be foamed, ie the mixture. This considerably simplifies the temperature control in the metal show manufacture 1, since unlike the conventional methods there is no premature release.
  • the gas or gas mixture used as blowing agent does not react irreversibly with the materials to be foamed to form stable compounds.
  • the gas or gas mixture is preferably introduced into the metal powder by means of high-energy grinding.
  • the proportion of gas or gas mixture in the metal powder is significantly increased by high-energy grinding. For example. it was found that for Ti -45A12. Si the proportion of argon was 56 ⁇ g / g and for Ti -48A1 -0.5 Si the argon proportion was 67 ⁇ g / g, the initial concentration in each case being less than 1 ⁇ g / g.
  • the high-energy grinding is preferably carried out in impact mills, vibrating ball mills, hammer mills, pin mills or jet mills.
  • the introduction of gas into the powder can be accelerated.
  • An increase in the gas content in the metal powder is achieved if the introduction of the gas takes place using hydrogen gas.
  • a gas mixture of noble gas and hydrogen is provided in the high-energy mill.
  • a further improvement is that the mixture is degassed after it has been prepared, preferably at an elevated temperature. This can be done by applying a vacuum.
  • the mixture is preferably compressed under pressure by hot isostatic pressing, the mixture is easier to handle than a compact.
  • the temperature should preferably be below the foaming temperature.
  • the sintering of the mixture particles and the foaming can take place in one operation in the container to be filled or in an appropriate form.
  • An alloy in particular a high-melting alloy, is preferably used as the metal powder.
  • Titanium aluminides, nickel-aluminum umides or nickel-base superalloys and molybdenum icides are known as high-melting alloys.
  • Iron-containing alloys and in particular predominantly non-corrosive iron alloys can also be used.
  • the heating is preferably carried out to a temperature above the softening temperature of the metal powder, in particular above 600 ° C., preferably above 100 ° C.
  • the heat treatment at sufficiently high temperatures forms nanopores.
  • the internal pressure of the gas pores increases with increasing temperature Yield stress of the material and leads to its foaming.
  • nitrogen or oxygen or hydrogen is used as the gas.
  • the gas mixture contains argon and / or krypton and / or helium.
  • the invention is further achieved by a metal foam body which is produced in accordance with the method described above.
  • the object is achieved by using a gas or gas mixture as a blowing agent in a metal powder for producing a metal foam body, which is preferably produced according to the method described above.
  • silicon-aluminum alloys can be foamed by argon.
  • the metal 1 foam body according to the invention can be used as lightweight materials e.g. be used in the aerospace industry. By using metal foam bodies instead of solid components, considerable weight can be saved with a suitable component design.
  • metal 1 foam bodies according to the invention can be used to form composite materials and prepregs based on carbon, glass, Xevlar fibers or other high-strength fibers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers aus einem Metallpulver sowie einen Metallschaumkörper. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Edelgases. Das Verfahren wird erfindungsgemäss mittels der Schritte ausgeführt: -Einbringen wenigstens eines Gases oder Gasgemisches in das Metallpulver und Herstellung einer Mischung -Verdichten der Mischung -Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen.

Description

Herstellung eines Metal 1 schaumkörpers
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metal 1 schaumkörpers aus einem Metallpulver sowie einen Metal 1 schau körper. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines Edelgases.
Es sind Verfahren zum Herstellen von Metal 1 schaumkörpern bekannt, bei denen einem Legierungspul er oder einer Pulvermischung aus Legierungsbestandteilen ein gasabspaltendes Treibmittel beigefügt wird. Hieraus wird ein unaufgeschäumtes Halbzeug hergestellt und dieses Halbzeug anschließend durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes der Metallegierung, zum Aufschäumen gebracht. Anschließend wird der aufgeschäumte Körper abgekühlt. Das Aufschäumen des Halbzeuges kann frei oder in einer Form erfolgen. Eine Möglichkeit Metall schäume aus hochschmelzenden Legierungen, z.B. Ti AI-Legierungen herzustellen, besteht darin, das Pulver der Legierungen zu offenporigen Schäumen zu sintern. Dabei betragen die Dichten zwischen 60 und 80 %, weil es sich um massive Pulverteilchen handelt. Eine weitere Möglichkeit der Metal 1 schaumher- stellung wird durch die Beschichtung von Styroporkugeln und eine nachfolgende Sinterung erreicht, wobei die Styroporkugeln ausgebrannt werden. Diese beiden genannten Verfahren zur Metal 1 schaumherstel 1 ung aus hochschmelzenden Legierungen sind jedoch sehr aufwendig.
Darüber hinaus ist bekannt, niedrigschmelzende Metalle aufzuschäumen, indem Hydride zugesetzt werden, die bei erhöhter Temperatur Wasserstoff freisetzen. Da keine Hydride bekannt sind, die erst bei Temperaturen über 600°C zerfallen, sind diese Treibmittel für die Metallschaumherstellung nur für niedrigschmelzende Legierungen einsetzbar.
Aus DE-A-198 10 979 ist ein Herstellungsverfahren bekannt, bei dem einem Metallpulver mindestens ein gasabspaltendes Treibmittelpulver beigefügt wird. Die Aufschäumung erfolgt durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, so daß das Treibmittel das eingeschlossene Gas freisetzt. Dieses bekannte Verfahren ist allerdings ungeeignet, Schäume aus hochschmelzenden Legierungen herzustellen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Metall- schäu en aus Legierungen, z.B. Titanaluminium-Legierungen, oder die Aufschäumung von keramikartigen Werkstoffen bzw. Hartmetallen zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines Metal 1 schaumkörpers aus einem Metallpulver, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: Einbringen wenigstens eines Gases oder Gasgemisches in das Metallpulver und Herstellung einer Mischung, Verdichten der Mischung, Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen. Durch die Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Aufschäumtemperatur ausschließlich vom aufzuschäumenden Werkstoff, d.h. der Mischung, abhängig ist. Hierdurch vereinfacht sich die Temperaturführung bei der Metall schau herstel 1 ung erheblich, da im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden keine vorzeitige Trei ittel frei setzung erfolgt. Das als Treibmittel verwendete Gas oder Gasgemisch reagiert erfindungsgemäß dabei nicht mit den aufzuschäumenden Werkstoffen irreversibel zu stabilen Verbindungen.
Bevorzugterweise erfolgt das Einbringen des Gases bzw. Gasgemisches in das Metallpulver mittels Hochenergiemahlen. Durch das Hochenergiemahlen wird der Anteil des Gases bzw. Gasgemisches in das Metallpulver deutlich erhöht. Bspw. wurde festgestellt, daß bei Ti -45A12. Si der Anteil von Argon 56 μg/g und bei Ti -48A1 -0.5 Si der Argon-Anteil bei 67 μg/g lag, wobei die anfängliche Konzentration jeweils bei weniger als 1 μg/g jeweils lag. Das Hochenergiemahlen erfolgt vorzugsweise in Prallmühlen, Vibrationskugelmühlen, Hammermühlen, Stiftmühlen oder Strahlmühlen.
Findet das Einbringen des Gases oder Gasgemisches in die Mischung unter Gasdruck statt, so kann das Einbringen von Gas ins Pulver beschleunigt werden. Eine Steigerung des Gasgehaltes im Metallpulver wird erreicht, wenn das Einbringen des Gases unter Verwendung von Wasserstoffgas stattfindet. In der Hochenergiemühle wird beispielsweise hierfür ein Gasgemisch aus Edelgas und Wasserstoff bereitgestellt.
Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß die Mischung nach ihrer Herstellung, vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, entgast wird. Dies kann durch Anlegen eines Vakuums erfolgen.
Wenn bevorzugterweise das Verdichten der Mischung unter Druck durch heiß-isostatisches Pressen erfolgt, ergibt sich eine leichtere Handhabung der Mischung als Preßling. Für späteres freies Aufschäumen sollte dabei die Temperatur bevorzugt unterhalb der Aufschäumungstempera- tur liegen. Ferner können die Sinterung der Mischungspartikel und die Aufschäumung in einem Arbeitsgang im zu füllenden Behältnis oder in einer entsprechenden Form erfolgen .
Bevorzugterweise wird als Metallpulver eine, insbesondere hochschmelzende, Legierung verwendet. Als hochschmelzende Legierungen sind bspw. Titan-Aluminide, Nickel -AI umi nide oder Nickel-Basi s-Superl egierungen sowie Molybdängl izide bekannt. Ferner können auch eisenhaltige Legierungen und insbesondere vorwiegend nicht korrodierende Eisenlegierungen verwendet werden.
Darüber hinaus erfolgt bevorzugterweise das Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Metallpul vers, insbesondere über 600°C, vorzugsweise über l.OOO'C. Durch die Wärmebehandlung bei hinreichend hohen Temperaturen bilden sich Nanoporen. Mit steigender Temperatur übersteigt der Innendruck der Gasporen die Fließspannung des Materials und führt zu dessen Aufschäumung .
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn Argon oder Krypton oder Helium als Gas verwendet wird. Diese Edelgase sind als Treibmittel besonders gut geeignet.
In einer Alternative wird Stickstoff oder Sauerstoff oder Wasserstoff als Gas verwendet.
Insbesondere enthält das Gasgemisch Argon und/oder Krypton und/oder Helium.
Die Erfindung wird ferner gelöst durch einen Metall- schaumkörper, der gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel in einem Metallpulver zur Herstellung eines Metal 1 schaumkörpers, der vorzugsweise gemäß des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wird.
Durch die Erfindung können bspw. si 1 izi u hal tige Titanaluminium-Legierungen durch Argon aufgeschäumt werden. Die erfindungsgemäßen Metal 1 schaumkörper können als Leichtbauwerkstoffe z.B. in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Metall- schaumkörpern anstelle von massiven Bauteilen läßt sich in erheblichem Maße Gewicht bei geeigneter Bauteilkonstruktion einsparen.
Beispielsweise können aus dem Metal 1 schaumkörper Maschinenteile hergestellt werden, die hohen mechanischen Belastungen oder Temperaturen oder schnellen Rotationen ausgesetzt sind. Darüber hinaus lassen sich Maschinen- und Bauteile mit verminderter Wärmeleitfähigkeit anfertigen und ferner als termisches Isoliermaterial in Hochtemperaturbereich verwenden. Darüber können energieschluckende Trennwände und Sicherheitswände zur Absorption von kinetischer Energie hergestellt werden. Ferner lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Metal 1 schaumkörper Verbundwerkstoffe und Prepregs auf der Basis von Kohlenstoff-, Glas-, Xevlarfasern oder anderer hochfester Fasern ausbilden.

Claims

Herstellung eines Metal 1 schaumkörpersPatentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Metal 1 schaumkörpers aus einem Metallpulver mit den Schritten:
- Einbringen wenigstens eines Gases oder eines Gasgemisches in das Metallpulver und Herstel- 1 ung einer Mischung
- Verdichten der Mischung
- Aufschäumen der Mischung durch Aufheizen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches mittels Hochenergiemahlen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches unter Gasdruck stattfindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Gases oder Gasgemisches unter Verwendung von Wasserstoffgas stattfindet .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung nach ihrer Herstellung entgast wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten der Mischung unter Druck durch heiß-isostatisches Pressen erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine, insbesondere hochschmelzende, Legierung verwendet wi rd .
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Metal 1 pul vers , insbesondere über 600°C, vorzugsweise über 1.000βC, erfolgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Argon oder Krypton oder Helium als Edelgas verwendet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff oder Sauerstoff oder Wasserstoff als Gas verwendet wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichet, daß das Gasgemisch Argon und/oder Krypton und/oder Helium enthält.
12. Metal 1 schaumkörper erhältlich durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
13. Verwendung eines Gases oder Gasgemisches als Treibmittel in einem Metallpulver zur Herstellung eines Metal 1 schaumkörpers , vorzugsweise gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
mk/sti
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