WO2011020462A1 - Dünnwandiges strukturbauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2011020462A1
WO2011020462A1 PCT/DE2010/000946 DE2010000946W WO2011020462A1 WO 2011020462 A1 WO2011020462 A1 WO 2011020462A1 DE 2010000946 W DE2010000946 W DE 2010000946W WO 2011020462 A1 WO2011020462 A1 WO 2011020462A1
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structural component
carrier
alloys
powder
cold gas
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PCT/DE2010/000946
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Andreas Jakimov
Erwin Bayer
Karl-Heinz Dusel
Carsten Butz
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • 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
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thin-walled structural component and to a corresponding structural component, preferably for a gas turbine, in particular an aircraft engine.
  • such components can also be produced, for example, by laser sintering or by laser powder plating welding.
  • laser sintering or by laser powder plating welding.
  • such methods are economically very ineffective for thin-walled large-area structural components, since they require very long production times.
  • high-temperature-resistant components with thin walls, such as airfoils or leading segments of aircraft engines are to be provided.
  • the invention is based on the recognition that thin-walled structural components can be produced in an advantageous manner by means of kinetic cold gas spraying or kinetic cold gas compacting.
  • kinetic cold gas compacting a very fine-grained, homogeneous microstructure without large variations in chemical composition over the entire extension of the component can be produced, whereby a very compact and dense structure can be produced without porosity.
  • the disadvantages of thin cast structures such as porosity, coarseness and segregation can be avoided.
  • a corresponding powder can be deposited on a carrier by cold gas spraying, wherein the carrier represents the negative mold of a functional surface of the structural component at least on one side, at which the deposition takes place.
  • the functional surface or side may be the corresponding surface for conducting and guiding the hot gases.
  • the carrier part can also provide a plurality of surfaces for depositing the powders by means of cold gas compacting or the structural component can have a plurality of functional sides or surfaces.
  • any arbitrary three-dimensional structure can be formed with the method, in particular if the method is carried out repeatedly in several steps, with subsequent deposits by means of kinetic cold gas compaction no carrier is required, but the deposition can be made directly on the already existing semi-finished.
  • Under thin-walled structural component are in particular components to understand their thickness is much smaller than the longitudinal or width extension, in particular components in which the thickness of the component or parts of the component only 1/10 of the longitudinal or width extension or less, in particular 1 / 50 or less of the longitudinal or the width of the component.
  • the structural component in the case of thin-walled structural components which are produced according to the invention by kinetic cold gas spraying of powder onto a carrier, the structural component can also be subjected to heat treatment without distortion if the heat treatment is still carried out at a point in time at which the structural component is still on the carrier.
  • a distortion as it can occur in thin-walled cast components during heat treatment, reliably avoid.
  • the structural member may be separated from the corresponding carrier after cold gas spraying and / or heat treatment. However, it is also conceivable that the carrier or parts thereof remain connected as a lost form with the structural component.
  • the carrier may have at least one surface on which the powder particles impinge upon the kinetic cold gas spraying and are deposited, wherein the corresponding surface of the structural component thus formed may form a functional surface of the structural component.
  • the carrier may be formed with its negative mold so that corresponding functional elements of the structural component are formed directly in the production, such as holes, openings, recesses and the like. Accordingly, the carrier need only have corresponding elevations on the surface as a negative mold, which is acted upon by the powder particles during cold gas spraying.
  • the carrier may be formed of different materials, such as ceramic, steel, hardened steel, glass, quartz glass, stone, z. B. granite, etc.
  • a carrier material thus come into consideration various materials that need only have the necessary hardness or strength to withstand the impact of the particles with the correspondingly high speeds can.
  • the carrier is also temperature resistant in order to survive heat treatment of the structural component without damage can.
  • the support allows the impinging particles to adhere sufficiently to the support, since it is necessary for the structure of the structural component that the first impinging particles adhere to the support, thus forming the basis for the subsequent particles to be able to.
  • the support may be provided with a layer which improves the adhesion, for example with a metallic layer, in particular silver, platinum, copper or alloys thereof.
  • the layer which on the one hand represents the adhesive base and, on the other hand, subsequently enables the separation of the structural component from the carrier, may be identical.
  • the layer may remain on the support after detachment of the finished structural component on the structural component.
  • the layer can be a platinum alloy, which, for example, can additionally serve on the structural component as a protective layer for hot gas corrosion.
  • casting materials and, in particular, high-temperature-resistant cast materials such as are used for structural components in gas turbines or aircraft engines, can be used with the present method.
  • nickel-base alloys, iron-base alloys, titanium-based alloys, cobalt-base alloys, and the like can be used to manufacture the structural component.
  • the corresponding materials must be provided only in powder form.
  • superalloys, ie alloys which can reach temperatures of up to 90% of their melting point or have sufficient strength up to at least temperatures of 80% of the melting point, as materials for which the structural components according to the invention are used.
  • Such superalloys also have iron, nickel, platinum, chromium or cobalt as the base component with corresponding additions of cobalt, nickel, iron, chromium, molybdenum, tungsten, rhenium, ruthenium, tantalum, niobium, aluminum, titanium, manganese, zirconium, carbon and boron on.
  • Corresponding alloys are marketed under the trade names Stellite, Tribaloy, Hastelloy, Inconel and the like. For example, these may be NiCrI 9NbMo alloys (Inconel 718) and comparable alloys such as MAR247, IN713 and the like.
  • alloys having the following components in the order of their compositional content are conceivable: NiWCoCrAl-TaTiMo alloys, NiCrFeNbMo alloys, NiCoCrAlMo alloys, NiCrCoTiW alloys and MCrAlY alloys with M equal to nickel or cobalt.
  • the materials for forming the structural component can be present as powder with particles of the corresponding material composition or as a powder mixture of powder particles of one or more components of the material.
  • the materials can be modified accordingly by the powder application, for example by adding appropriate oxide powders, through which the hardness and strength of the structural components can be positively influenced.
  • the structural components can be formed homogeneously from the same material both in their longitudinal and width directions as well as in the thickness direction and / or be produced with correspondingly same deposition parameters, so that the overall result is a homogeneous formation.
  • the structural components of different layers or layers or in width or lengthwise extension may also be different in different areas, wherein a different chemical composition may be present, different starting powders are used, for. B. with regard to the powder particle sizes used and / or different spray parameters can be used.
  • any gradients in three-dimensional structures can be realized.
  • the grain sizes used a wide variety of powder fractions can be used, such as, for example, powders with almost uniform grain size or with a very broad particle size distribution.
  • different powders for example according to the components of a material composition, they can be used with the same particle sizes or different particle sizes.
  • the nickel-base superstructure may be present as a powder having a specific particle size distribution, while the admixed oxide particles may have a much smaller particle size and / or different particle size distribution.
  • the particle sizes can generally, but in particular in the case of oxide powder, go down to particle sizes in the range of a few micrometers or nanometers.
  • the correspondingly produced structural component can be processed or further processed by any suitable method and joined by joining with other components, for example provided with corresponding suspension tabs, which are soldered or welded, for example.
  • a structural component which is formed from a Gefuge with a plurality of mutually clamped by the cold gas spraying and deformed particles. Accordingly, it may have a very high density or low porosity.
  • a very fine-grained Gefuge according to the selection of the starting powder is adjustable.
  • the density in the component can also be adapted to the requirements.
  • the structural component can be produced free of pores, in particular in the area of a functional surface, without any pores.
  • the porosity have less or equal to 1 vol .-% over the entire component or parts of the component, without additional processing steps are required.
  • a desired profile of the chemical composition can be achieved in a defined manner, since no segregations are to be feared.
  • the chemical composition throughout the structural component may deviate less than 10% from a mean or desired composition.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an arrangement for carrying out the inventive
  • Figure 2 is a sectional view through a structural component according to the arrangement of
  • Figure 3 is a sectional view through a second structural component made according to the arrangement of Figure 1;
  • FIG. 4 shows a partial section through a structural component according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an arrangement for producing a thin-walled structural component according to the present invention.
  • the arrangement comprises a carrier 1, which serves with one of its sides as a negative mold for a structural component 11.
  • a structured surface 2 and a survey 3 is provided, which serves to form a recess as a functional element of the structural component.
  • Powder particles 10 are applied by means of a spray jet 9 to the negative-form side of the carrier 1 in the kinetic cold gas spraying process.
  • a cold gas spraying device 4 with a nozzle arrangement for. B.
  • a Laval nozzle 5 provided in which via a process gas supply 6 process gas is supplied at high pressure, so that powder particles, which are supplied via the Pulve ⁇ umblezu Adjusten 7 and / or 8, leave the nozzle 5 at high speed and accelerated to the surface of the carrier 1.
  • the velocity of the particles 10 in the spray jet can in this case go into the range of the speed of sound.
  • Characteristic of the kinetic cold gas spraying is that the powder particles 10 are not melted or melted and thus the operating temperature is chosen below the melting temperature of the sprayed material.
  • a carrier layer 12 may be provided , which is arranged only partially on the carrier 1 in the illustration of FIG.
  • the carrier layer 12 may be a metallic layer, such as silver, copper or platinum or alloys thereof.
  • the structural component 11 is a thin-walled component made of a cast material, in particular a high-temperature-resistant cast material, which is used in particular as a structural component of a gas turbine, in particular of an aircraft engine.
  • a cast material in particular a high-temperature-resistant cast material
  • An example is formed by guide segments or airfoils used in hot parts of an engine to guide the hot gases.
  • the particles 10 applied to the carrier 1 by kinetic cold gas spraying may be constituted by respective high temperature cast materials or components thereof, such as nickel base alloys, iron base alloys, titanium base alloys, cobalt base alloys, superalloys, in particular M247 Inconel IN713 and Inconel type IN718, etc.
  • FIGS. 2 and 3 show cross sections through finished structural components 11 and 11 'that can be produced on the carrier 1.
  • the structural members 11 and 11 'of FIGS. 2 and 3 are shown in the condition in which they are detached from the carrier 1.
  • the structural components 11 and 11 ' also have a structured functional surface 14 on their functional side, ie on the side facing the carrier surface on which the particles impinge.
  • a passage 13 is formed by the survey 3, which is contained directly in the structural component 11, 11 'generated by kinetic cold gas spraying and does not have to be subsequently introduced yet.
  • the carrier layer 12 can be seen, which has remained on the structural component 11 as a functional layer upon detachment of the structural component 11 from the carrier 1.
  • FIG. 3 shows, with the structural component 11 ', a modified embodiment in which the structural component 11' is formed from two layers 15 and 16 made of different materials.
  • the layer 15 may be formed on the functional side of a highly corrosion-resistant high-temperature material, such as MAR 247, while the layer 16 may be formed on the side facing away from the functional side half of the structural member 11 'of a particularly high-strength high-temperature material, such as Inconel IN718.
  • continuous gradients can also be set, for example by a continuous change in the powder composition during kinetic cold gas spraying and / or by a continuous change in parameters.
  • FIG. 4 shows a cross section through a structural component 11, as can be produced according to the invention.
  • the structural component 11 has a structure with a multiplicity of grains 17, which are formed from the corresponding cast material of the structural component 11, for example, a high temperature nickel base superalloy.
  • additional phases such as oxides 18, which can further improve and increase the hardness and strength.
  • this is possible in a simple manner in that either additional materials are added to the powder to be sprayed, for example a powder of oxides is mixed with the powder of a high-temperature-resistant cast material, or else the oxide powder is introduced separately into the gas stream, in order to be deposited accordingly.
  • an even better property profile of the structural component can be set.
  • the invention comprises in particular all possible combinations of the features presented.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Strukturbauteils aus einem Gusswerkstoff, wobei der Gusswerkstoff als Pulver bereitgestellt wird und das Pulver mittels kinetischem Kaltgasspritzen auf einem Träger (1) zur Bildung des Strukturbauteils (11,11') abgeschieden wird, sowie ein Strukturbauteil aus einem Gusswerkstoff, bei dem das Gefüge aus einer Vielzahl durch Kaltgasspritzen miteinander verklammerter und deformierter Partikel (17) ausgebildet ist.

Description

DÜNNWANDIGES STRUKTURBAUTEIL UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Strukturbauteils sowie ein entsprechendes Strukturbauteil, vorzugsweise für eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk.
STAND DER TECHNIK
Für Gasturbinen, insbesondere Gasturbinen für den Flugbetrieb, als Flugtriebwerke, ist es erforderlich für die heißen Bereiche eines Triebwerks Strömungsprofile bzw. Strömungskanäle mit Leitsegmenten auszubilden, die durch die heißen Gase hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Für die Herstellung derartiger Bauteile werden hochtemperaturbeständige Werkstoffe eingesetzt, die gießtechnisch verarbeitet werden. Allerdings neigen Gussstrukturen insbesondere bei entsprechenden Bauteilen mit dünnen Wandstrukturen zu Porosität und zum Verzug bei der Wärmebehandlung. Das Gussgefüge ist meist grobkörnig und kann Seigerungen enthalten, wodurch die erforderlichen Eigenschaften des dünnwandigen Strukturbauteils nicht mehr über das gesamte Bauteil gewährleistet sein können.
Alternativ zu einem entsprechenden Gussprozess mit oder ohne anschließendem Schmiede- prozess können derartige Bauteile beispielsweise auch durch Lasersintern oder durch Laserpul Verauftragsschweißen hergestellt werden. Derartige Verfahren sind jedoch für dünnwandige großflächige Strukturbauteile wirtschaftlich sehr uneffektiv, da sie sehr lange Herstellungszeiten erfordern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger, insbesondere großflächiger Strukturbauteile, insbesondere für Gasturbinen bzw. Flugtriebwerke, bereitzustellen, das in einfacher und effektiver Weise durchführbar ist. Darüber hinaus sollen hochtemperaturbeständige Bauteile mit dünnen Wandstärken, wie Strömungsprofϊle oder Leitsegmente von Flugtriebwerken bereitgestellt werden.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass dünnwandige Strukturbauteile in vorteilhafter Weise mittels des kinetischen Kaltgasspritzens bzw. kinetischen Kaltgaskompaktierens erzeugt werden können. Durch das kinetische Kaltgaskompaktieren kann ein sehr feinkörniges, homogenes Gefüge ohne große Variationen in der chemischen Zusammensetzung über die gesamte Erstreckung des Bauteils erzeugt werden, wobei eine sehr kompakte und dichte Struktur ohne Porosität erzeugt werden kann. Damit können die Nachteile von dünnen Gussstrukturen, wie Porosität, Grobkörnigkeit und Seigerungen, vermieden werden.
Zur Herstellung des dünnwandigen Strukturbauteils kann ein entsprechendes Pulver durch Kaltgasspritzen auf einem Träger abgeschieden werden, wobei der Träger zumindest an einer Seite, an der die Abscheidung erfolgt, die Negativform einer Funktionsfläche des Strukturbauteils darstellt. Bei einem Leitsegment bzw. Strömungsprofil für ein Flugtriebwerk kann die Funktionsfläche bzw. -seite die entsprechende Oberfläche zur Leitung und Führung der heißen Gase sein. Selbstverständlich kann das Trägerteil auch mehrere Oberflächen zur Abscheidung der Pulver mittels Kaltgaskompaktieren bereitstellen bzw. das Strukturbauteil mehrere Funktionsseiten bzw. -flächen aufweisen. Insgesamt lässt sich mit dem Verfahren nahezu jede beliebige dreidimensionale Struktur bilden, insbesondere wenn das Verfahren wiederholt in mehreren Schritten ausgeführt wird, wobei bei nachfolgenden Abscheidungen mittels kinetischem Kaltgaskompaktieren kein Träger mehr erforderlich ist, sondern die Abscheidung direkt auf dem bereits vorhandenen Halbzeug erfolgen kann. Unter dünnwandigem Strukturbauteil sind insbesondere Bauteile zu verstehen, deren Dicke sehr viel kleiner als die Längs- oder Breitenerstreckung ist, insbesondere Bauteile, bei denen die Dicke des Bauteils oder von Teilen des Bauteils lediglich 1/10 der Längs- oder Breitenerstreckung oder weniger, insbesondere 1/50 oder weniger der Längs- oder Breitenerstreckung des Bauteils beträgt.
Insbesondere bei dünnwandigen Strukturbauteilen, die erfindungsgemäß über kinetisches Kaltgasspritzen von Pulver auf einen Träger hergestellt werden, kann das Strukturbauteil auch verzugsfrei einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wenn die Wärmebehandlung noch zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, bei dem das Strukturbauteil sich noch auf dem Träger befindet. Dadurch lässt sich ein Verzug, wie er bei dünnwandigen Gussbauteilen bei Wärmebehandlung auftreten kann, zuverlässig vermeiden.
Das Strukturbauteil kann von dem entsprechenden Träger nach dem Kaltgasspritzen und/oder einer Wärmebehandlung getrennt werden. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass der Träger oder Teile davon als verlorene Form mit dem Strukturbauteil verbunden bleiben.
Der Träger kann mindestens eine Oberfläche aufweisen, aufweicher die Pulverpartikel beim kinetischen Kaltgasspritzen auftreffen und abgeschieden werden, wobei die entsprechende Fläche des so gebildeten Strukturbauteils eine Funktionsfläche des Strukturbauteils bilden kann.
Darüber hinaus kann der Träger mit seiner Negativform so ausgebildet sein, dass entsprechende Funktionselemente des Strukturbauteils direkt bei der Herstellung ausgebildet werden, wie beispielsweise Bohrungen, Durchbrüche, Ausnehmungen und dergleichen. Entsprechend braucht der Träger als Negativform lediglich entsprechende Erhebungen an der Oberfläche aufweisen, die mit den Pulverpartikeln beim Kaltgasspritzen beaufschlagt wird.
Der Träger kann aus unterschiedlichen Stoffen gebildet sein, wie beispielsweise Keramik, Stahl, gehärtetem Stahl, Glas, Quarzglas, Stein, z. B. Granit, etc. Als Trägermaterial kommen somit vielfältige Materialien in Betracht, die lediglich die notwendige Härte oder Festigkeit aufweisen müssen, um dem Auftreffen der Partikel mit den entsprechend hohen Geschwindigkeiten widerstehen zu können.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Träger auch entsprechend temperaturbeständig ist, um Wärmebehandlungen des Strukturbauteils ohne Beschädigung überstehen zu können.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Träger es ermöglicht, dass die auftreffenden Partikel auch ausreichend auf dem Träger haften, da es zum Aufbau des Strukturbauteils notwendig ist, dass die ersten auftreffenden Partikel auf dem Träger haften, um so die Grundlage für die nachfolgenden Partikel bilden zu können.
Um die Haftung insbesondere von metallischen Pulverpartikeln zu verbessern, kann der Träger mit einer Schicht versehen werden, die die Haftung verbessert, beispielsweise mit einer metallischen Schicht, insbesondere Silber, Platin, Kupfer oder Legierungen daraus.
Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, eine Schicht auf dem Träger vorzusehen, welche die Ablösung des Strukturbauteils nach der Fertigstellung von dem Träger ermöglicht oder erleichtert. Insbesondere kann die Schicht, die einerseits die Haftgrundlage darstellt und andererseits nachfolgend der Abscheidung des Strukturbauteils die Abtrennung von dem Träger ermöglicht, identisch sein.
Darüber hinaus kann die Schicht auf dem Träger nach dem Ablösen des fertig gestellten Strukturbauteils auch auf dem Strukturbauteil verbleiben. Beispielsweise kann die Schicht eine Platinlegierung sein, die beispielsweise zusätzlich auf dem Strukturbauteil als Schutzschicht für Heißgaskorrosion dienen kann.
Insbesondere können mit dem vorliegenden Verfahren Gusswerkstoffe und insbesondere hochtemperaturbeständige Gusswerkstoffe, wie sie für Strukturbauteile bei Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken eingesetzt werden, Verwendung finden. Entsprechend können Nickelbasislegierungen, Eisenbasislegierungen, Titanbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen und dergleichen zur Herstellung des Strukturbauteils eingesetzt werden. Die entsprechenden Werkstoffe müssen lediglich in Pulverform bereitgestellt werden. Darüber hinaus können auch Su- perlegierungen, also Legierungen, die bis zu Temperaturen von 90 % ihres Schmelzpunktes oder bis zu mindestens Temperaturen von 80 % des Schmelzpunktes eine ausreichende Festigkeit aufweisen, als Werkstoffe für die die erfindungsgemäß hergestellten Strukturbauteile eingesetzt werden. Derartige Superlegierungen weisen ebenfalls Eisen, Nickel, Platin, Chrom oder Kobalt als Basiskomponente mit entsprechenden Zusätzen von Kobalt, Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Tantal, Niob, Aluminium, Titan, Mangan, Zirkon, Kohlenstoff und Bor auf. Entsprechende Legierungen werden unter den Markennamen Stellite, Tribaloy, Hastelloy, Inconel und dergleichen vertrieben. Beispielsweise kann es sich um NiCrI 9NbMo-Legierungen (Inconel 718) und vergleichbare Legierungen wie MAR247, IN713 und dergleichen handeln. Insbesondere sind Legierungen mit folgenden Bestandteilen in der Reihenfolge ihres Anteils an der Zusammensetzung denkbar: NiWCoCrAl- TaTiMo-Legierungen, NiCrFeNbMo-Legierungen, NiCoCrAlMo-Legierungen, NiCrCoTiW- Legierungen bzw. MCrAlY-Legierungen mit M gleich Nickel oder Kobalt.
Die Werkstoffe zur Bildung des Strukturbauteils können als Pulver mit Partikeln der entsprechenden Werkstoffzusammensetzung vorliegen oder als Pulvergemisch aus Pulverpartikeln einzelner oder mehrerer Komponenten des Werkstoffs. Insbesondere ist es auch möglich, beim kinetischen Kaltgasspritzen verschiedene Pulver separat zuzuführen und/oder eine entsprechende Pulvermischung zu verspritzen.
Zudem können die Werkstoffe durch den Pulverauftrag entsprechend modifiziert werden, beispielsweise durch Zusatz von entsprechenden Oxidpulvern, durch die die Härte und Festigkeit der Strukturbauteile positiv beeinflusst werden kann.
Die Strukturbauteile können sowohl in ihrer Längs- und Breitenrichtung als auch in der Dickenrichtung homogen aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet sein und/oder mit entsprechend gleichen Abscheideparametern erzeugt worden sein, so dass sich insgesamt eine homogene Ausbildung ergibt. Darüber hinaus können die Strukturbauteile aus verschiedenen Schichten bzw. Lagen bzw. in Breiten- oder Längserstreckung auch in verschiedenen Bereichen unterschiedlich sein, wobei eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung vorliegen kann, unterschiedliche Ausgangspulver Verwendung finden, z. B. hinsichtlich der verwendeten Pulverkorngrößen und/oder unterschiedliche Spritzparameter eingesetzt werden können. Neben unterschiedlichen Schichten oder Lagen in Dickenrichtung bzw. unterschiedlichen Bereichen in Längs- und Breitenerstreckung können auch kontinuierliche Veränderungen in Richtung der unterschiedlichen Dimensionen des Strukturbauteils vorgesehen werden, indem beim kinetischen Kaltgasspritzen kontinuierlich die Zusammensetzung des aufgebrachten Werkstoffs verändert wird und/oder unterschiedliche Korngrößen der verwendeten Pulver eingesetzt werden und/oder allgemein unterschiedliche Spritzparameter Verwendung finden. Entsprechend können beliebige Gradienten in dreidimensionalen Strukturen verwirklicht werden.
Bei den verwendeten Korngrößen können unterschiedlichste Pulverfraktionen Verwendung finden, wie beispielsweise Pulver mit nahezu einheitlicher Korngröße oder mit einer sehr breiten Korngrößenverteilung. Bei Verwendung unterschiedlicher Pulver, beispielsweise entsprechend den Komponenten einer Werkstoffzusammensetzung, können diese mit gleichen Korngrößen oder unterschiedlichen Korngrößen eingesetzt werden. So kann beispielsweise bei der Herstellung eines Strukturbauteils aus einem mit Oxidteilchen modifizierten Nickelba- sissuperlegierungswerkstoff der Nickelbasissuperwerkstoff als Pulver mit einer bestimmten Korngrößenverteilung vorliegen, während die zugemischten Oxidpartikel eine sehr viel kleinere Korngröße und/oder andere Korngrößenverteilung aufweisen können. Die Korngrößen können hierbei allgemein, jedoch insbesondere bei Oxidpulver bis hinunter zu Korngrößen im Bereich von wenigen Mikrometern oder Nanometern gehen.
Das entsprechend erzeugte Strukturbauteil kann mit allen geeigneten Verfahren bearbeitet bzw. weiterverarbeitet werden und durch Fügen mit anderen Bauteilen verbunden werden, beispielsweise mit entsprechenden Aufhängelaschen versehen werden, die beispielsweise angelötet oder angeschweißt werden.
Durch das kinetische Kaltgasspritzen wird ein Strukturbauteil geschaffen, welches aus einem Gefuge mit einer Vielzahl von durch das Kaltgasspritzen miteinander verklammerten und deformierten Partikeln gebildet ist. Entsprechend kann es eine sehr hohe Dichte bzw. geringe Porosität aufweisen. Darüber hinaus ist ein sehr feinkörniges Gefuge entsprechend der Auswahl der Ausgangspulver einstellbar. Durch Einstellen der Abscheideparameter beim kinetischen Kaltgasspritzen kann auch die Dichte im Bauteil auf die Erfordernisse angepasst werden. Insbesondere kann das Strukturbauteil im Wesentlichen porenfrei, insbesondere im Bereich einer Funktionsfläche porenfrei hergestellt werden. Darüber hinaus kann die Porosität über das gesamte Bauteil oder von Teilen des Bauteils weniger oder gleich 1 Vol.-% aufweisen, ohne dass zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind.
Ferner kann auch ein gewünschtes Profil der chemischen Zusammensetzung in definierter Weise erzielt werden, da keine Seigerungen zu befürchten sind. Insbesondere kann die chemische Zusammensetzung im gesamten Strukturbauteil weniger als 10 % von einer mittleren bzw. gewünschten Zusammensetzung abweichen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Figur 2 eine Schnittansicht durch ein Strukturbauteil, das gemäß der Anordnung der
Figur 1 hergestellt worden ist;
Figur 3 eine Schnittansicht durch ein zweites Strukturbauteil, das gemäß der Anordnung der Figur 1 hergestellt worden ist; und in
Figur 4 einen teilweisen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur Herstellung eines dünnwandigen Strukturbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst einen Träger 1, der mit einer seiner Seiten als Negativform für ein Strukturbauteil 11 dient. An der Seite des Trägers 1, welche als Negativform dient, ist eine strukturierte Oberfläche 2 und eine Erhebung 3 vorgesehen, welche zur Ausbildung einer Ausnehmung als Funktionselement des Strukturbauteils dient. Auf die als Negativform dienende Seite des Trägers 1 werden mittels eines Spritzstrahls 9 Pulverpartikel 10 im kinetischen Kaltgasspritzverfahren aufgebracht. Hierzu ist eine Kaltgasspritzvorrichtung 4 mit einer Düsenanordnung, z. B. einer Laval-Düse 5, vorgesehen, bei der über eine Prozessgaszuführung 6 Prozessgas mit hohem Druck zugeführt wird, so dass Pulverpartikel, die über die Pulveφartikelzuführungen 7 und/oder 8 zugeführt werden, unter hoher Geschwindigkeit die Düse 5 verlassen und auf die Oberfläche des Trägers 1 beschleunigt werden. Die Geschwindigkeit der Partikel 10 im Spritzstrahl kann hierbei bis in den Bereich der Schallgeschwindigkeit gehen. Kennzeichen des kinetischen Kaltgasspritzens ist, dass die Pulverpartikel 10 nicht aufgeschmolzen oder angeschmolzen werden und somit die Betriebstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des gespritzten Werkstoffs gewählt ist.
Beim Auftreffen der Partikel 10 auf die Oberfläche des Trägers 1 werden diese deformiert und durch die starke Deformation bildet sich eine kompakte und haftende Schicht auf dem Träger 1 aus, die dann das Strukturbauteil 11 bildet.
Um die Haftung des Strukturbauteils bzw. der abgeschiedenen Partikel auf dem Träger 1 zu erleichtern, was insbesondere bei metallischen Strukturbauteilen auf nicht metallischen Trägern aus Keramik, Glas, insbesondere Quarzglas, oder Stein, wie Granit, problematisch sein kann, kann eine Trägerschicht 12 vorgesehen sein, die in der Darstellung der Figur 1 nur teilweise auf dem Träger 1 angeordnet ist. Bei der Trägerschicht 12 kann es sich um eine metallische Schicht handeln, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Platin bzw. Legierungen daraus.
Gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Strukturbauteil 11 um ein dünnwandiges Bauteil aus einem Gusswerkstoff, insbesondere einem hochtemperaturbeständigen Gusswerkstoff, welches insbesondere als Strukturbauteil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks Verwendung findet. Ein Beispiel bilden Leitsegmente oder Strömungsprofile, die in heißen Teilen eines Triebwerks zur Führung der heißen Gase eingesetzt werden.
Entsprechend können die Partikel 10, die mittels kinetischem Kaltgasspritzen bzw. kinetischem Kaltgaskompaktieren auf dem Träger 1 aufgebracht werden, durch entsprechende hochtemperaturbeständige Gusswerkstoffe oder Komponenten davon gebildet sein, wie Nickelbasislegierungen, Eisenbasislegierungen, Titanbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen, Superlegierungen, insbesondere vom Typ M247 Inconel IN713 und Inconel IN718, etc.
Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der die Partikel 10 auf die Oberfläche des Trägers 1 auftreffen, wird ein kompaktes, dichtes Strukturbauteil mit sehr geringer Porosität, insbeson- dere an der Seite der Funktionsschicht, also der dem Träger gegenüberliegenden Seite des Strukturbauteils 11 erzeugt. Durch die Verformung der Partikel 10 beim Auftreffen auf dem Träger 1 wird ein charakteristisches Gefüge mit deformierten Partikeln gebildet.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Querschnitte durch fertig hergestellte Strukturbauteile 11 bzw. 11', die auf dem Träger 1 erzeugt werden können. Die Strukturbauteile 11 und 11 ' der Figuren 2 und 3 sind in dem Zustand gezeigt, nach dem sie von dem Träger 1 abgelöst sind.
Durch die Ausbildung der strukturierten Oberfläche 2 an dem Träger 1 weisen die Strukturbauteile 11 bzw. 11 ' an ihrer Funktionsseite, also an der Seite, die der Trägeroberfläche, auf der die Partikel auftreffen, gegenüberliegt, ebenfalls eine strukturierte Funktionsfläche 14 auf. Darüber hinaus wird durch die Erhebung 3 eine Durchführung 13 ausgebildet, die unmittelbar in dem durch kinetisches Kaltgasspritzen erzeugten Strukturbauteil 11, 11' enthalten ist und nicht nachträglich erst noch eingebracht werden muss.
Darüber hinaus ist in der Schnittansicht der Figur 2 die Trägerschicht 12 zu sehen, die beim Ablösen des Strukturbauteils 11 von dem Träger 1 als Funktionsschicht an dem Strukturbauteil 11 verblieben ist.
Die Figur 3 zeigt mit dem Strukturbauteil 11 ' eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher das Strukturbauteil 11' aus zwei Lagen 15 und 16 aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Lage 15 an der Funktionsseite aus einem sehr korrosionsbeständigen Hochtemperaturwerkstoff, wie beispielsweise MAR 247 gebildet sein, während die Lage 16 an der von der Funktionsseite abgewandten Hälfte des Strukturbauteils 11' aus einem besonders hochfesten Hochtemperaturwerkstoff gebildet sein kann, wie beispielsweise Inconel IN718.
Neben diesem lagenweisen Aufbau können auch kontinuierliche Gradienten eingestellt werden, beispielsweise durch eine kontinuierliche Veränderung der Pulverzusammensetzung beim kinetischen Kaltgasspritzen und/oder durch eine kontinuierliche Parameterveränderung.
Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Strukturbauteil 11, wie es gemäß der Erfindung hergestellt werden kann. Das Strukturbauteil 11 weist ein Gefüge mit einer Vielzahl von Körnern 17 auf, die aus dem entsprechenden Gusswerkstoff des Strukturbauteils 11 gebildet sind, beispielsweise einer hochtemperaturbeständigen Nickelbasissuperlegierung. Durch das kinetische Kaltgaskompaktieren ist es in einfacher Weise möglich, zusätzliche Phasen einzubringen, wie beispielsweise Oxide 18, die die Härte und Festigkeit weiter verbessern und erhöhen können. Dies ist beim kinetischen Kaltgaskompaktieren in einfacher Weise dadurch möglich, dass dem zu verspritzenden Pulver entweder zusätzliche Werkstoffe zugemischt werden, also beispielsweise ein Pulver aus Oxiden mit dem Pulver aus einem hochtemperaturbeständigen Gusswerkstoff vermischt wird, oder aber separat das Oxidpulver zusätzlich in den Gasstrom eingeleitet wird, um entsprechend mit abgeschieden zu werden. Dadurch lässt sich ein noch besseres Eigenschaftsprofil des Strukturbauteils einstellen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele deutlich beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Änderungen in der Weise vorgenommen werden können, dass andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale realisiert werden können oder einzelne Merkmale weggelassen werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird.
Die Erfindung umfasst insbesondere alle möglichen Kombinationen der vorgestellten Merkmale.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Strukturbauteils aus einem Gusswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gusswerkstoff als Pulver bereitgestellt wird und das Pulver mittels kinetischem Kaltgasspritzen auf einem Träger (1) zur Bildung des Strukturbauteils (11,11 ') abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kaltgasgespritzte Strukturbauteil (11,11 ') zusammen mit dem Träger (1) wärmebe- handelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger (1) oder Teile davon als verlorene Form mit dem Strukturbauteil verbunden bleibt oder als Dauerform oder verlorene Form von dem Strukturbauteil nach der Fertigstellung des Strukturbauteils getrennt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Träger (1) eine Negativform des Strukturbauteils mit mindestens einer Funktionsfläche und/oder mindestens einem Funktionselement des Strukturbauteils ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger (1) mindestens einen Stoff aus der Gruppe umfasst, die Keramik, Stahl, gehärteten Stahl, Glas, Quarzglas, Stein und Granit umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger (1) zumindest teilweise mit einer Schicht (12) versehen wird, die die Haftung der kaltgasgespritzten Pulverpartikel auf dem Träger verbessert und/oder die Ablösung des fertiggestellten Strukturbauteils von dem Träger erleichtert.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) auf dem Träger mindestens einen Stoff aus der Gruppe umfasst, die Metalle, Silber, Platin, Kupfer und Legierungen daraus aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (12) auf dem Träger nach dem Ablösen des Strukturbauteils auf dem Strukturbauteil verbleibt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Gusswerkstoff ein hochtemperaturbeständiger Gusswerkstoff verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Guss werkstoff mindestens ein Werkstoff aus der Gruppe verwendet wird, die Ni- Basislegierungen, Fe-Basislegierungen, Ti-Basislegierungen, Co-Basislegierungen, Super- legierungen, NiWCoCrAlTaTiMo-Legierungen, NiCrFeNbMo-Legierungen, NiCoCrAl- Mo-Legierungen, NiCrCoTiW-Legierungen, MCrAl Y-Legierungen mit M gleich Ni oder Co, MAR247, IN713 und IN718 umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil (11 ') aus verschiedenen Schichten (15,16) und/oder über die Dicke kontinuierlich verändert mit unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder aus unterschiedlichen Ausgangspulvern und/oder mit unterschiedlichen Spritzparametern erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die für das kinetische Kaltgasspritzen verwendeten Pulverpartikel ein Pulver des aufzubringenden Werkstoffs und/oder verschiedene Pulver mit Komponenten des aufzubringenden Werkstoffs und/oder von Zusatzstoffen mit gleicher oder unterschiedlicher Korngrößenverteilung der Pulver umfassen.
13. Strukturbauteil aus einem Gusswerkstoff, insbesondere hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge aus einer Vielzahl durch Kaltgasspritzen miteinander verklammerter und deformierter Partikel (17) ausgebildet ist.
14. Strukturbauteil nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil im Wesentlichen porenfrei ist, und zwar insbesondere im Bereich einer Funktionsfläche, oder eine Porosität von weniger oder gleich 1 Vol. % aufweist und/oder das Strukturbauteil im Wesentlichen seigerungsfrei ist oder die chemische Zusammensetzung im gesamten Strukturbauteil um weniger als 10% von einer mittleren Zusammensetzung abweicht.
15. Strukturbauteil nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gusswerkstoff durch Zusätze, insbesondere Oxidzusätze modifiziert ist.
16. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil ein Teil einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, vorzugsweise ein Strömungsprofil ist.
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