WO2014044431A1 - Production of a refractory metal component - Google Patents

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WO2014044431A1
WO2014044431A1 PCT/EP2013/065207 EP2013065207W WO2014044431A1 WO 2014044431 A1 WO2014044431 A1 WO 2014044431A1 EP 2013065207 W EP2013065207 W EP 2013065207W WO 2014044431 A1 WO2014044431 A1 WO 2014044431A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a refractory metal component, the method comprising the following steps: application of a powder layer with metal powder; and selectively irradiating the powder layer to produce a jet sintered metal layer.
  • the invention relates to a refractory metal component which has been produced by means of the method.
  • the invention is particularly applicable to the production of X-ray anodes, walls of a fusion reactor and 3D collimators.
  • the plasma-facing surfaces of a wall of a fusion reactor or the surface of an X-ray anode in addition to high temperatures also high mechanical, thermocyclic loads that can lead to cracking or melting of the materials.
  • refractory metals in particular tungsten, are used.
  • Electron beam as an energy source a metal powder is selectively melted, which compact components of almost any geometry can be made directly from the design data.
  • SLM selective laser melting
  • a powder layer by means of a so-called doctor blade to the previous and exposed by means of the electron beam.
  • the desired component is generated in layers.
  • SLM selective laser melting
  • Selective laser melting involves the processing of pending material in powder form applied in a thin layer on a base plate. The powdery material is completely remelted locally by means of laser radiation and forms a solid layer of material after solidification. Subsequently, the base plate by the amount of a
  • the data for the guidance of the laser beam can be generated from a 3D CAD body by means of software.
  • Components produced by selective laser melting are characterized by large component densities (> 99%). This ensures that the mechanical properties of the generatively produced component largely correspond to those of the base material.
  • solid material is atomized, mechanically comminuted or chemically separated in solution.
  • the materials used for laser melting are series materials that contain no binders.
  • EP 0 512 633 A2 discloses a method for producing an X-ray rotary anode with a refractory region made of refractory metals.
  • the focal area is manufactured by means of powder metallurgical processes or by means of CVD or PVD processes.
  • the focal zone region is preferably aftertreated using high-energy electrons or photons at a depth of less than 1.5 mm by means of local superficial fusion. This reduces in particular the residual porosity in the focal area. This leads to improved mechanical properties, higher X-ray yield and significantly improved service life of such rotary anodes.
  • WO 2008/058513 A1 discloses an electrode for the electrochemical machining of a workpiece with at least one flushing channel for the flow and exit of an electrolyte at least in a working region of the electrode, the electrode being designed as a cathodically polarized tool electrode and a geometry at least in the working region may correspond to the geometry to be removed on the workpiece.
  • the electrode has been produced at least partially in layers by means of laser sintering, laser micro-sintering or laser melting or electron beam melting.
  • WO 2008/058513 A1 further discloses a method for producing an electrode and uses of the electrode.
  • WO 2009/019645 A2 discloses a method and a device for locally applying material to a surface of an anode of an X-ray source as well as a corresponding anode.
  • Anode material such as a repair material for filling a pit in an X-ray emitting surface (115) is applied to an X-ray emitting surface of an anode.
  • the location where such material is to be deposited can be detected using a laser beam.
  • the applied repair material including particles of anode material such as tungsten, rhenium or molybdenum, is then locally sintered using a high energy laser beam.
  • the sintered material may then be melted using a high energy electron beam.
  • a damaged surface of an anode can be locally repaired.
  • structures of different anode materials or protrusions with different levels may be provided on the X-ray emitting surface to selectively influence the X-ray emission characteristics of the anode.
  • the object is achieved by a method for producing a refractory metal component, wherein the method comprises the following steps: application of a powder layer with refractory metal powder; and then selectively irradiating the powder layer to produce a refractory refractory metal layer.
  • This method advantageously provides new possibilities for coating surfaces with refractory metals and for producing refractory metal components, wherein in addition a highly homogeneous, isotropic microstructure of the material can be achieved.
  • This makes it possible to improve the material properties, in particular the thermocyclic strength, which in turn extends a service life.
  • By controlling the jet a precise coating can be produced.
  • About the leadership of the beam so almost any, even three-dimensional, geometry can be built or coated. Consequently, a production of whole, even complex shaped refractory metal components is possible.
  • the refractory metal components may in particular have a non-negligible height and / or area.
  • the jet sintering process is also suitable for coating already worn surfaces over a large area, thus providing a particularly effective repair process.
  • the application of the powder layer can be effected for example by means of doctoring.
  • the application of the first powder layer can be done for example on a base body.
  • sintering can also be understood as meaning a (local) melting or melting effected by the energy of the beam. It is an embodiment that the steps for producing a multilayer refractory metal component are performed multiple times.
  • the refractory metal component is therefore in particular a layer stack. In particular, at least once a powder layer may be applied to an already jet-sintered layer. This embodiment has the advantage that thick or bulky refractory metal components can also be produced as a layer stack.
  • the irradiation is carried out by means of an electron beam, that is, the method is an electron beam sintering method (EBM).
  • EBM electron beam sintering method
  • the irradiation is carried out by means of a laser beam, the method is therefore a laser beam sintering process (LBM).
  • LBM laser beam sintering process
  • the EBM method and the LBM method have the advantage that production machines are available on the market for them.
  • an isotropic, fine-grained microstructure of the material can be achieved, which is advantageous for a behavior of refractory metals under thermocyclic load and in particular leads to a lifetime extension.
  • the refractory metal powder has at least one powder of pure refractory metal and / or a pure refractory metal alloy. Under a pure powder may be understood in particular a powder having a purity of more than 99%. This is preferred because impurities such as Fe, Ni, O 2 or C, unlike conventional sintering processes during jet sintering, can hardly be removed due to the short heat influence and the process atmosphere.
  • a refractory metal may in particular a particular element of the group comprising tungsten, rhenium, niobium and tantalum.
  • At least the powder layer additionally comprises ceramic powder.
  • ceramic powder may in particular comprise particles of an oxide or carbide ceramic.
  • the ceramic may in particular - sondere La 2 0 3, Y 2 O 3, TiC and / or HfC include.
  • a proportion of the ceramic powder on the powder layer may not exceed 20% by weight, in particular not exceed 10% by weight, in particular not exceed 5% by weight.
  • a median grain size, D50, of powder particles of the refractory metal powder is less than two microns.
  • the method has as additional steps: applying a powder layer of ceramic powder; and selectively irradiating the powder layer to produce a jet sintered ceramic layer.
  • the refractory metal component can also receive or have one or more ceramic layers.
  • the refractory metal component also receives or has one or more layers of conventional metal (no refractory metal).
  • a surface treatment for example structuring, additional heat treatment
  • a surface treatment may additionally be carried out at the end of the coating process.
  • an X-ray anode can be produced by means of the method.
  • the Layers are applied in particular to a carrier body of a tungsten-molybdenum alloys (in particular TZM) or carbon fiber-reinforced carbon (CFC).
  • a wall for a fusion reactor can be produced by means of the method.
  • an SD collimator can be produced.
  • the object is also achieved by a refractory metal component, which has been produced by the method described above.
  • the component can be designed analogously and has the same advantages. In particular, therefore, the entire refractory metal volume of the refractory metal component can be constructed in this way.
  • the refractory metal component may therefore in particular be a component made up of a plurality of refractory metal layers.
  • composition of the refractory metal layers is the same.
  • composition of at least two refractory metal layers differs, e.g. has a sequence of W / WRe layers.
  • the layers form a gradient stack or a gradient material, e.g. by gradually varying one or more parameters (e.g., a fraction of a particular refractory metal) over multiple layers.
  • At least one layer may be a ceramic layer, a conventional metal layer (without refractory metal) and / or even plastic.
  • the conventional metal layer may be stainless steel, tool steel, aluminum and aluminum alloys, titanium and titanium alloys, cobalt. Chrome, nickel-based alloys or copper alloys exist.
  • the figure shows a sectional side view of a refractory metal component, which has been produced by means of a jet sintering process.
  • the refractory metal component is an X-ray anode 1 by way of example here.
  • the X-ray anode 1 has a carrier body 2, e.g. from TZM or CFC, to which a powder layer PI with refractory metal powder has been applied in the first step by means of a doctor blade.
  • the refractory metal powder herein comprises high purity refractory metal powder (e.g., W, Rh, Ni, Ta, etc.) and / or refractory metal alloy high purity powder (e.g., WRe, WTa, etc.).
  • a median grain size, D50, of powder particles of the refractory metal powder may be less than two microns.
  • the powder of the powder layer PI at the irradiated points has been heated to such an extent by selective (full-surface or partial) irradiation of the powder layer PI with a high-energy beam B (eg an electron beam or a laser beam) that it is sintered there ,
  • a high-energy beam B eg an electron beam or a laser beam
  • the powder layer PI has therefore been selectively sintered, in particular by means of an electron beam sintering process or a laser beam sintering process.
  • a (jet) sintered layer sintered layer
  • the powder layer PI may be used to stabilize the grain boundaries of the refractory metal or its alloy during jet sintering and thus additionally have ceramic powder for suppression of grain growth.
  • ceramic powder with particles of La 2 0 3 , Y 2 0 3 , Tic and / or HfC.
  • a content of the ceramic powder of not more than 5% by weight.
  • the starting powders of the powder layers Pi may be the same or different.
  • powder layers may alternate with pure tungsten powder (eg, PI, P3, Pn-3, Pn) and powder layers with pure tungsten-rhenium powder (eg P2, Pn-1) to provide an X-ray anode 1 having a W / WRe layer structure becomes.
  • a layer height of the powder layers Pi and hence the sintered layers Si may be the same or different.
  • the powder layers Pi may only be partially irradiated or sintered, ie not over the entire surface, as is the case here, for example, in the case of the two uppermost powder layers Pn-1 and Pn.
  • the resulting sintered layers Sn-1 and Sn are patterned and three-dimensionally formed after removal of the unsintered powder. This allows finely structured, three-dimensional refractory metal components to be produced with little effort.

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Abstract

The invention relates to a method used for the production of a refractory metal component (1), said method having the following steps: application of a powder coating (P1-Pn) comprising refractory metal powder; and selective irradiation of the powder coating (P1-Pn) to create a beam-sintered refractory metal coating (S1-Sn). A refractory metal component (1) was produced by means of this method.

Description

Beschreibung description
Herstellen eines Refraktärmetall-Bauteils Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Re- fraktärmetall -Bauteils , wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Pulverschicht mit Metallpulver; und Selektives Bestrahlen der Pulverschicht zur Erzeugung einer strahlgesinterten Metallschicht. Die Erfindung betrifft auf ein Refraktärmetall-Bauteil , welches mittels des Verfahrens hergestellt worden ist. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur Herstellung von Röntgenanoden, Wänden eines Fusionsreaktors und 3D-Kollimatoren . Die dem Plasma zugewandten Oberflächen einer Wand eines Fusionsreaktors oder die Oberfläche einer Röntgenanode erfahren neben hohen Temperaturen auch hohe mechanische, thermozykli- sche Belastungen, die zur Rissbildung oder auch einem Schmelzen der Materialien führen können. In beiden Anwendungen wer- den Refraktärmetalle, insbesondere Wolfram, verwendet. The invention relates to a method for producing a refractory metal component, the method comprising the following steps: application of a powder layer with metal powder; and selectively irradiating the powder layer to produce a jet sintered metal layer. The invention relates to a refractory metal component which has been produced by means of the method. The invention is particularly applicable to the production of X-ray anodes, walls of a fusion reactor and 3D collimators. The plasma-facing surfaces of a wall of a fusion reactor or the surface of an X-ray anode in addition to high temperatures also high mechanical, thermocyclic loads that can lead to cracking or melting of the materials. In both applications, refractory metals, in particular tungsten, are used.
Grundsätzlich bekannt ist als (selektives) Elektronenstrahlschmelzen ( " (Selective) Electron Beam Melting", (S)EBM) oder auch Elektronenstrahlsintern ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen aus dem Pulverbett. Durch einenBasically known as (selective) electron beam melting ("(Selective) Electron Beam Melting", (S) EBM) or electron beam sintering a method for the production of metallic components from the powder bed. Through a
Elektronenstrahl als Energiequelle wird ein Metallpulver gezielt aufgeschmolzen, wodurch kompakte Bauteile nahezu beliebiger Geometrie direkt aus den Konstruktionsdaten hergestellt werden können. Hierzu wird, ähnlich dem selektiven Laser- schmelzen (SLM) , abwechselnd eine Pulverschicht mittels eines sogenannten Rakels auf die vorherige aufgebracht und mittels des Elektronenstrahls belichtet. Auf diese Weise wird das gewünschte Bauteil schichtweise generiert. Auch grundsätzlich bekannt ist das (selektive) Laserschmelzen ("Selective Laser Melting"; SLM) welches ein generatives Fertigungsverfahren ist, das zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren gehört. Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verar- beitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Electron beam as an energy source, a metal powder is selectively melted, which compact components of almost any geometry can be made directly from the design data. For this purpose, similar to the selective laser melting (SLM), alternately applied a powder layer by means of a so-called doctor blade to the previous and exposed by means of the electron beam. In this way, the desired component is generated in layers. Also known in principle is (selective) laser melting ("Selective Laser Melting", SLM) which is a generative manufacturing process that belongs to the group of beam melting. Selective laser melting involves the processing of pending material in powder form applied in a thin layer on a base plate. The powdery material is completely remelted locally by means of laser radiation and forms a solid layer of material after solidification. Subsequently, the base plate by the amount of a
Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwen- det . Die Daten für die Führung des Laserstrahls können aus einem 3D CAD-Körper mittels Software erzeugt werden. Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große Bauteildichten (> 99%) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestell- ten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen. Für die Herstellung des Pulvers wird Vollmaterial ver- düst, mechanisch zerkleinert oder in Lösung chemisch abgeschieden. Die für das Laserschmelzen verwendeten Werkstoffe sind Serienwerkstoffe, die keine Bindemittel enthalten. Als verwendete Werkstoffe sind bekannt Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Kobalt -Chrom, Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen, Keramik und Kunststoffe. EP 0 512 633 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Röntgendrehanode mit einem Brennbahnbereich aus hochschmelzenden Metallen. Der Brennbahnbereich ist mittels pulvermetallurgischer Verfahren oder mittels CVD- oder PVD-Verfahren gefertigt. Der Brennbahnbereich wird vorzugsweise unter An- wendung hochenergetischer Elektronen oder Photonen in einer Tiefe von kleiner 1,5 mm mittels lokaler, oberflächlicher AufSchmelzung nachbehandelt. Dadurch reduziert sich insbesondere die Restporosität im Brennbahnbereich. Das führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, höherer Röntgenstrahl- lenausbeute und zu deutlich verbesserter Lebensdauer derartiger Drehanoden. WO 2008/058513 AI offenbart eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit mindestens einem Spül- kanal zum Durchfluss und Austritt eines Elektrolyten zumindest in einem Arbeitsbereich der Elektrode, wobei die Elekt- rode als kathodisch gepolte Werkzeugelektrode ausgebildet ist und zumindest in dem Arbeitsbereich eine Geometrie aufweisen kann, die der abzutragenden Geometrie auf dem Werkstück entspricht. Dabei ist die Elektrode zumindest teilweise schichtweise mittels Lasersintern, Lasermikrosintern oder Laser- schmelzen bzw. Elektronenstrahlschmelzen hergestellt worden. WO 2008/058513 AI offenbart weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode und Verwendungen der Elektrode. Layer thickness lowered and powder applied again. This cycle is repeated until all layers have been remelted. The finished component is cleaned of excess powder, processed as needed or used immediately. The data for the guidance of the laser beam can be generated from a 3D CAD body by means of software. Components produced by selective laser melting are characterized by large component densities (> 99%). This ensures that the mechanical properties of the generatively produced component largely correspond to those of the base material. For the production of the powder, solid material is atomized, mechanically comminuted or chemically separated in solution. The materials used for laser melting are series materials that contain no binders. Materials used include stainless steel, tool steel, aluminum and aluminum alloys, titanium and titanium alloys, cobalt chromium, nickel-base alloys, copper alloys, ceramics and plastics. EP 0 512 633 A2 discloses a method for producing an X-ray rotary anode with a refractory region made of refractory metals. The focal area is manufactured by means of powder metallurgical processes or by means of CVD or PVD processes. The focal zone region is preferably aftertreated using high-energy electrons or photons at a depth of less than 1.5 mm by means of local superficial fusion. This reduces in particular the residual porosity in the focal area. This leads to improved mechanical properties, higher X-ray yield and significantly improved service life of such rotary anodes. WO 2008/058513 A1 discloses an electrode for the electrochemical machining of a workpiece with at least one flushing channel for the flow and exit of an electrolyte at least in a working region of the electrode, the electrode being designed as a cathodically polarized tool electrode and a geometry at least in the working region may correspond to the geometry to be removed on the workpiece. In this case, the electrode has been produced at least partially in layers by means of laser sintering, laser micro-sintering or laser melting or electron beam melting. WO 2008/058513 A1 further discloses a method for producing an electrode and uses of the electrode.
WO 2009/019645 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrich- tung zum lokalen Auftragen von Material auf eine Oberfläche einer Anode einer Röntgenquelle sowie eine entsprechende Anode. Anodenmaterial wie ein Reparaturmaterial zum Befüllen einer Vertiefung in einer Röntgenstrahlen emittierenden Oberfläche (115) wird auf eine Röntgenstrahlen emittierenden Oberfläche einer Anode aufgebracht. WO 2009/019645 A2 discloses a method and a device for locally applying material to a surface of an anode of an X-ray source as well as a corresponding anode. Anode material such as a repair material for filling a pit in an X-ray emitting surface (115) is applied to an X-ray emitting surface of an anode.
Die Stelle, an welcher solches Material aufgebracht werden soll, kann unter Verwendung eines Laserstrahls detektiert werden. Das aufgebrachte Reparaturmaterial einschließlich Teilchen aus Anodenmaterial wie Wolfram, Rhenium oder Molyb- dän, wird anschließend unter Verwendung eines hochenergetischen Laserstrahls einer lokal gesintert. Das gesinterte Material kann dann unter Verwendung eines hochenergetischen Elektronenstrahls geschmolzen werden. Mittels eines solchen Verfahrens kann eine beschädigte Oberfläche einer Anode lokal repariert werden. Alternativ können Strukturen unterschiedlicher Anodenmaterialien oder von Vorsprüngen mit unterschiedlichen Ebenen auf der Röntgenstrahlen emittierenden Oberfläche bereitgestellt werden, um die Röntgenemissions- Eigenschaften der Anode selektiv zu beeinflussen.  The location where such material is to be deposited can be detected using a laser beam. The applied repair material, including particles of anode material such as tungsten, rhenium or molybdenum, is then locally sintered using a high energy laser beam. The sintered material may then be melted using a high energy electron beam. By means of such a method, a damaged surface of an anode can be locally repaired. Alternatively, structures of different anode materials or protrusions with different levels may be provided on the X-ray emitting surface to selectively influence the X-ray emission characteristics of the anode.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein unter thermischen Wechsellasten sich verbes- sert verhaltendes, insbesondere langlebigeres, Refraktärme- tall-Bauteil bereitzustellen, welches vergleichsweise einfach herstellbar ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. It is the object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages of the prior art and, in particular, to improve one under thermal alternating loads. It is intended to provide an inert, in particular more durable, refractory metal component which is comparatively easy to produce. This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Refraktärmetall -Bauteils , wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Pulverschicht mit Refrak- tärmetallpulver; und danach selektives Bestrahlen der Pulverschicht zur Erzeugung einer strahlgesinterten Refraktärme- tallschicht . The object is achieved by a method for producing a refractory metal component, wherein the method comprises the following steps: application of a powder layer with refractory metal powder; and then selectively irradiating the powder layer to produce a refractory refractory metal layer.
Dieses Verfahren liefert vorteilhafterweise neue Möglichkeiten zur Beschichtung von Oberflächen mit Refraktärmetallen und zur Herstellung von Refraktärmetallkomponenten, wobei zudem eine hochgradig homogene, isotrope Mikrostruktur des Werkstoffs erreicht werden kann. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Materialeigenschaften, insbesondere der thermozyk- lischen Festigkeit, was wiederum eine Lebensdauer verlängert. Durch die Steuerung des Strahls kann eine punktgenaue Beschichtung hergestellt werden. Über die Führung des Strahls kann also nahezu jede, auch dreidimensionale, Geometrie aufgebaut oder beschichtet werden. Folglich ist so eine Herstellung ganzer, auch komplex geformter Refraktärmetall-Bauteile möglich. Die Refraktärmetall-Bauteile mögen insbesondere eine nicht vernachlässigbare Höhe und/oder Fläche aufweisen. Das Strahlsinterverfahren eignet sich auch dazu, bereits verschlissene Oberflächen erneut großflächig zu beschichten und stellt damit ein besonders effektives Reparaturverfahren bereit . Das Aufbringen der Pulverschicht kann beispielsweise mittels Rakelns erfolgen. Das Aufbringen der ersten Pulverschicht kann beispielsweise auf einem Grundkörper erfolgen. Unter einem Sintern kann im Fall von Metall auch ein durch die Energie des Strahls bewirktes (lokales) Anschmelzen oder Aufschmelzen verstanden werden. Es ist eine Ausgestaltung, dass die Schritte zum Herstellen eines mehrschichtigen Refraktärmetall-Bauteils mehrfach durchgeführt werden. Das Refraktärmetall -Bauteil ist also insbesondere ein Schichtstapel. Insbesondere mag dazu zumindest einmal eine Pulverschicht auf einer bereits strahlgesin- terten Schicht aufgebracht werden. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass auch dicke bzw. großvolumige Refraktär- metall-Bauteil als Schichtstapel herstellbar sind. This method advantageously provides new possibilities for coating surfaces with refractory metals and for producing refractory metal components, wherein in addition a highly homogeneous, isotropic microstructure of the material can be achieved. This makes it possible to improve the material properties, in particular the thermocyclic strength, which in turn extends a service life. By controlling the jet, a precise coating can be produced. About the leadership of the beam so almost any, even three-dimensional, geometry can be built or coated. Consequently, a production of whole, even complex shaped refractory metal components is possible. The refractory metal components may in particular have a non-negligible height and / or area. The jet sintering process is also suitable for coating already worn surfaces over a large area, thus providing a particularly effective repair process. The application of the powder layer can be effected for example by means of doctoring. The application of the first powder layer can be done for example on a base body. In the case of metal, sintering can also be understood as meaning a (local) melting or melting effected by the energy of the beam. It is an embodiment that the steps for producing a multilayer refractory metal component are performed multiple times. The refractory metal component is therefore in particular a layer stack. In particular, at least once a powder layer may be applied to an already jet-sintered layer. This embodiment has the advantage that thick or bulky refractory metal components can also be produced as a layer stack.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Bestrahlen mittels eines Elektronenstrahls durchgeführt wird, das Verfahren also ein Elektronenstrahlsinterverfahren (EBM) ist. It is yet another embodiment that the irradiation is carried out by means of an electron beam, that is, the method is an electron beam sintering method (EBM).
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Bestrahlen mittels eines Laserstrahls durchgeführt wird, das Verfahren also ein Laserstrahlsinterverfahren (LBM) ist. It is yet a further embodiment that the irradiation is carried out by means of a laser beam, the method is therefore a laser beam sintering process (LBM).
Das EBM-Verfahren und das LBM-Verfahren weisen den Vorteil auf, dass für sie Produktionsmaschinen am Markt verfügbar sind. Insbesondere durch diese beiden Verfahren kann eine isotrope, feinkörnige Mikrostruktur des Werkstoffs erreicht werden, was für ein Verhalten von Refraktärmetallen unter thermozyklischer Belastung vorteilhaft ist und insbesondere zu einer Lebensdauerverlängerung führt. Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Refraktärmetall - pulver mindestens ein Pulver aus reinem Refraktärmetall und/oder einer reinen Refraktärmetalllegierung aufweist. Unter einem reinem Pulver mag insbesondere ein Pulver mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99% verstanden werden. Dies wird bevorzugt, da Verunreinigungen wie Fe, Ni, 02 oder C im Gegensatz zu herkömmlichen Sinterprozessen beim Strahlsintern aufgrund des kurzen Wärmeeinflusses und der Prozessatmosphäre kaum entfernt werden können. Ein Refraktärmetall kann insbe- sondere einem Element der Gruppe umfassend Wolfram, Rhenium, Niob und Tantal angehören. The EBM method and the LBM method have the advantage that production machines are available on the market for them. In particular, by these two methods, an isotropic, fine-grained microstructure of the material can be achieved, which is advantageous for a behavior of refractory metals under thermocyclic load and in particular leads to a lifetime extension. It is also an embodiment that the refractory metal powder has at least one powder of pure refractory metal and / or a pure refractory metal alloy. Under a pure powder may be understood in particular a powder having a purity of more than 99%. This is preferred because impurities such as Fe, Ni, O 2 or C, unlike conventional sintering processes during jet sintering, can hardly be removed due to the short heat influence and the process atmosphere. A refractory metal may in particular a particular element of the group comprising tungsten, rhenium, niobium and tantalum.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass mindestens Pulverschicht zusätzlich Keramikpulver aufweist. Der Zusatz von Keramik weist den Vorteil auf, dass sich beim Sintern eine die Korngrenzen des Refraktärmetalls stabilisierende Wirkung ergibt. Das Keramikpulver mag insbesondere Partikel einer oxidischen oder karbidischen Keramik aufweisen. Die Keramik mag insbe - sondere La203, Y2O3, Tic und/oder HfC umfassen. It is also an embodiment that at least the powder layer additionally comprises ceramic powder. The addition of ceramic has the advantage that during sintering, the grain boundaries of the refractory metal stabilizing effect results. The ceramic powder may in particular comprise particles of an oxide or carbide ceramic. The ceramic may in particular - sondere La 2 0 3, Y 2 O 3, TiC and / or HfC include.
Ein Anteil des Keramikpulvers an der Pulverschicht mag insbesondere 20 Gew.-% nicht überschreiten, insbesondere 10 Gew.-% nicht überschreiten, insbesondere 5 Gew.-% nicht überschrei- ten. In particular, a proportion of the ceramic powder on the powder layer may not exceed 20% by weight, in particular not exceed 10% by weight, in particular not exceed 5% by weight.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass ein Median der Korngröße, D50, von Pulverpartikeln des Refraktärmetallpulvers kleiner als zwei Mikrometer ist . It is also an embodiment that a median grain size, D50, of powder particles of the refractory metal powder is less than two microns.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Verfahren als zusätzliche Schritte aufweist: Aufbringen einer Pulverschicht aus Keramikpulver; und selektives Bestrahlen der Pulverschicht zur Erzeugung einer strahlgesinterten Keramikschicht. So kann das Refraktärmetall-Bauteil auch eine oder mehrere Keramikschichten erhalten oder aufweisen. Grundsätzlich ist es nicht ausgeschlossen, dass das Refraktärmetall -Bauteil auch eine oder mehrere Schichten aus herkömmlichem Metall (keinem Refraktärmetall) erhält oder aufweist. Mittels des Verfahrens ist somit ein Schichtaufbau, insbesondere mit einem Gradienten der Eigenschaften, möglich. It is still an embodiment that the method has as additional steps: applying a powder layer of ceramic powder; and selectively irradiating the powder layer to produce a jet sintered ceramic layer. Thus, the refractory metal component can also receive or have one or more ceramic layers. In principle, it is not excluded that the refractory metal component also receives or has one or more layers of conventional metal (no refractory metal). By means of the method, a layer structure, in particular with a gradient of the properties, is thus possible.
Mittels des Strahlsinterns kann am Ende des Beschichtungspro- zesses zusätzlich eine Oberflächenbehandlung (z.B. Strukturierung, zusätzliche Wärmebehandlung) erfolgen. By means of jet sintering, a surface treatment (for example structuring, additional heat treatment) may additionally be carried out at the end of the coating process.
Gemäß noch einer Ausgestaltung kann mittels des Verfahrens eine Röntgenanode hergestellt werden. Hierbei können die Schichten insbesondere auf einen Trägerkörper aus einer Wolfram-Molybdän-Legierungen (insbesondere TZM) oder kohlenstoff- faserverstärktem Kohlenstoff (CFC) aufgebracht werden. Alternativ kann mittels des Verfahrens insbesondere eine Wand für einen Fusionsreaktor hergestellt werden. According to yet another embodiment, an X-ray anode can be produced by means of the method. Here, the Layers are applied in particular to a carrier body of a tungsten-molybdenum alloys (in particular TZM) or carbon fiber-reinforced carbon (CFC). Alternatively, in particular a wall for a fusion reactor can be produced by means of the method.
Auch kann mittels des Verfahrens insbesondere ein SD- Kollimator hergestellt werden. Also, by means of the method, in particular, an SD collimator can be produced.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Refraktärmetall- Bauteil, welches mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt worden ist. Das Bauteil kann analog ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf. Insbesondere kann also das ganze Refraktärmetallvolumen des Refraktärmetall - Bauteils so aufgebaut sein. The object is also achieved by a refractory metal component, which has been produced by the method described above. The component can be designed analogously and has the same advantages. In particular, therefore, the entire refractory metal volume of the refractory metal component can be constructed in this way.
Das Refraktärmetall-Bauteil mag also insbesondere ein aus mehreren Refraktärmetall -Schichten aufgebautes Bauteil sein. The refractory metal component may therefore in particular be a component made up of a plurality of refractory metal layers.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Zusammensetzung der Re- fraktärmetall -Schichten gleich ist. It is a further development that the composition of the refractory metal layers is the same.
Es ist eine andere Weiterbildung, dass sich die Zusammenset- zung zumindest zweier Refraktärmetall -Schichten unterscheidet, z.B. eine Folge von W/WRe-Schichten aufweist. It is another development that the composition of at least two refractory metal layers differs, e.g. has a sequence of W / WRe layers.
Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Schichten einen Gradientenstapel bzw. ein Gradientenmaterial bilden, z.B. durch graduelle Variation eines oder mehrerer Parameter (z.B. eines Anteils eines bestimmten Refraktärmetalls ) über mehrere Schichten . It is still a further development that the layers form a gradient stack or a gradient material, e.g. by gradually varying one or more parameters (e.g., a fraction of a particular refractory metal) over multiple layers.
Auch mag mindestens eine Schicht eine Keramikschicht, eine herkömmliche Metallschicht (ohne Refraktärmetall ) und/oder sogar Kunststoff sein. Die herkömmliche Metallschicht mag beispielsweise aus Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Kobalt- Chrom, Nickelbasislegierungen oder Kupferlegierungen bestehen . Also, at least one layer may be a ceramic layer, a conventional metal layer (without refractory metal) and / or even plastic. For example, the conventional metal layer may be stainless steel, tool steel, aluminum and aluminum alloys, titanium and titanium alloys, cobalt. Chrome, nickel-based alloys or copper alloys exist.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Aus- führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der Zeichnungen näher erläutert werden. The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of exemplary embodiments, which will be described in more detail in conjunction with the drawings.
Die Figur zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Refraktärmetall-Bauteil, welches mittels eines Strahlsinterverfahrens hergestellt worden ist. Das Refraktärmetall- Bauteil ist hier beispielhaft eine Röntgenanode 1. The figure shows a sectional side view of a refractory metal component, which has been produced by means of a jet sintering process. The refractory metal component is an X-ray anode 1 by way of example here.
Die Röntgenanode 1 weist einen Trägerkörper 2, z.B. aus TZM oder CFC, auf den in ersten Schritt mittels eines Rakels eine Pulverschicht PI mit Refraktärmetallpulver aufgebracht worden ist. Das Refraktärmetallpulver weist hier hochreines Pulver aus einem Refraktärmetall (z.B. W, Rh, Ni, Ta usw.) und/oder hochreines Pulver aus einer Refraktärmetalllegierung (z.B. WRe, WTa usw.) auf. Insbesondere mag ein Median der Korngröße, D50, von Pulverpartikeln des Refraktärmetallpulvers kleiner als zwei Mikrometer sein. The X-ray anode 1 has a carrier body 2, e.g. from TZM or CFC, to which a powder layer PI with refractory metal powder has been applied in the first step by means of a doctor blade. The refractory metal powder herein comprises high purity refractory metal powder (e.g., W, Rh, Ni, Ta, etc.) and / or refractory metal alloy high purity powder (e.g., WRe, WTa, etc.). In particular, a median grain size, D50, of powder particles of the refractory metal powder may be less than two microns.
In einem zweiten Schritt ist durch selektives (ganzflächiges oder teilflächiges) Bestrahlen der Pulverschicht PI mit einem energiereichen Strahl B (z.B. einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl) das Pulver der Pulverschicht PI an den be- strahlten Stellen so weit erhitzt worden, dass es dort gesintert wird. Die Pulverschicht PI ist also insbesondere mittels eines Elektronenstrahlsinterverfahrens oder eines Laserstrahlsinterverfahrens selektiv gesintert worden. Dadurch ist aus der Pulverschicht PI eine ( strahl ) gesinterte Schicht ("Sinterschicht") Sl aus Refraktärmetall hergestellt worden. In a second step, the powder of the powder layer PI at the irradiated points has been heated to such an extent by selective (full-surface or partial) irradiation of the powder layer PI with a high-energy beam B (eg an electron beam or a laser beam) that it is sintered there , The powder layer PI has therefore been selectively sintered, in particular by means of an electron beam sintering process or a laser beam sintering process. As a result, a (jet) sintered layer ("sintered layer") S1 of refractory metal has been produced from the powder layer PI.
Die Pulverschicht PI mag zur Stabilisierung der Korngrenzen des Refraktärmetalls bzw. deren Legierung beim Strahlsintern und damit einer Unterdrückung eines Kornwachstums zusätzlich Keramikpulver aufweisen. Besonders bevorzugt ist Keramikpulver mit Partikeln aus La203, Y203, Tic und/oder HfC. Besonders bevorzugt wird ein Anteil des Keramikpulvers von nicht mehr als 5 Gew. -% . The powder layer PI may be used to stabilize the grain boundaries of the refractory metal or its alloy during jet sintering and thus additionally have ceramic powder for suppression of grain growth. Particularly preferred is ceramic powder with particles of La 2 0 3 , Y 2 0 3 , Tic and / or HfC. Particularly preferred is a content of the ceramic powder of not more than 5% by weight.
Durch Wiederholen dieser Schritte lässt sich aus mehreren Pulverschichten Pi (i = 1, ..., n) eine aus entsprechenden Sinterschichten Si aufgebaute Röntgenanode 1 herstellen. By repeating these steps, an X-ray anode 1 composed of respective sintered layers Si can be prepared from a plurality of powder layers Pi (i = 1,..., N).
Die Ausgangspulver der Pulverschichten Pi mögen dabei gleich oder unterschiedlich sein. Beispielsweise mögen sich Pulverschichten mit reinem Wolframpulver (z.B. PI, P3 , Pn-3, Pn) und Pulverschichten mit reinem Wolfram-Rhenium-Pulver (z.B. P2, Pn-1) abwechseln, wodurch eine Röntgenanode 1 mit einem W/WRe-Schichtaufbau bereitgestellt wird. Auch mag eine Schichthöhe der Pulverschichten Pi und damit der Sinterschichten Si gleich oder unterschiedlich sein. Es mag mindestens eine Pulverschichten Pn-2 im WesentlichenThe starting powders of the powder layers Pi may be the same or different. For example, powder layers may alternate with pure tungsten powder (eg, PI, P3, Pn-3, Pn) and powder layers with pure tungsten-rhenium powder (eg P2, Pn-1) to provide an X-ray anode 1 having a W / WRe layer structure becomes. Also, a layer height of the powder layers Pi and hence the sintered layers Si may be the same or different. There may be at least one powder layer Pn-2 substantially
(bis ggf. auf Sinterhilfsmittel) nur Keramikpulver aufweisen, also kein Refraktärmetallpulver . So kann auch eine Röntgenanode 1 mit einer daraus durch Strahlsintern hergestellten Keramikschicht Si hergestellt werden. Analog können auch Me- tallschichten aus herkömmlichem Metall hergestellt werden. (If necessary, on sintering aids) only ceramic powder, so no refractory metal powder. Thus, an X-ray anode 1 with a ceramic layer Si produced therefrom by jet sintering can also be produced. Analogously, metal layers can also be produced from conventional metal.
Insbesondere mögen die Pulverschichten Pi nur teilweise bestrahlt bzw. gesintert werden, also nicht ganzflächig, wie es hier beispielsweise bei den beiden obersten Pulverschichten Pn-1 und Pn der Fall ist. Die sich ergebenden Sinterschichten Sn-1 und Sn sind nach Entfernung des nicht gesinterten Pulvers strukturiert bzw. dreidimensional geformt. So lassen sich fein strukturierte, dreidimensionale Refraktärmetall - Bauteile mit geringem Aufwand erzeugen. In particular, the powder layers Pi may only be partially irradiated or sintered, ie not over the entire surface, as is the case here, for example, in the case of the two uppermost powder layers Pn-1 and Pn. The resulting sintered layers Sn-1 and Sn are patterned and three-dimensionally formed after removal of the unsintered powder. This allows finely structured, three-dimensional refractory metal components to be produced with little effort.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt, und andere Va- riationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the illustrated embodiments, the invention is not limited thereto, and other riationen can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zum Herstellen eines Refraktärmetall-Bauteils (1), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Method for producing a refractory metal component (1), the method comprising the following steps:
Aufbringen einer Pulverschicht (PI bis Pn-3,Pn-l bis Applying a powder layer (PI to Pn-3, Pn-l to
Pn) mit Refraktarmetallpulver; und Pn) with refractory metal powder; and
Selektives Bestrahlen der Pulverschicht (PI bis Pn- 3,Pn-l bis Pn) zur Erzeugung einer zugehörigen strahlgesinterten Sinterschicht (Sl bis Sn-3, Sn-1 bis Sn) mit Refraktärmetall .  Selective irradiation of the powder layer (PI to Pn-3, Pn-l to Pn) for producing an associated jet-sintered sintered layer (Sl to Sn-3, Sn-1 to Sn) with refractory metal.
Verfahren zum nach Anspruch 1, wobei die Schritte zum Herstellen eines mehrschichtigen Refraktärmetall - Bauteils (1) mehrfach durchgeführt werden. The method according to claim 1, wherein the steps for producing a multi-layered refractory metal component (1) are performed several times.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das Bestrahlen mittels eines Elektronenstrahls (B) durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the irradiation is carried out by means of an electron beam (B).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das Bestrahlen mittels eines Laserstrahls (B) durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the irradiation is carried out by means of a laser beam (B).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das Refraktarmetallpulver mindestens ein Pulver aus rei nem Refraktärmetall und/oder einer reinen Refraktärme- talllegierung aufweist. A method according to any one of the preceding claims, wherein the refractory metal powder comprises at least one powder of pure refractory metal and / or a pure refractory metal alloy.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe zumindest eine Pulverschicht (Pi) zusätzlich Keramikpul ver aufweist. Method according to one of the preceding claims, wherein at least one powder layer (Pi) additionally comprises ceramic powder.
Verfahren (S1-S15) nach Anspruch 6, wobei das Keramikpulver La203, Y203, Tic und/oder HfC aufweist. The method (S1-S15) according to claim 6, wherein the ceramic powder comprises La 2 O 3 , Y 2 O 3 , Tic and / or HfC.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Median einer Korngröße, D50, von Pulverpartikeln des Refraktärmetallpulvers kleiner als zwei Mikrometer ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobe das Verfahren als zusätzliche Schritte aufweist: A method according to any one of the preceding claims, wherein a median grain size, D50, of powder particles of the refractory metal powder is less than two microns. Method according to one of the preceding claims, wherein the method comprises as additional steps:
Aufbringen einer Pulverschicht (Pn-2) aus Keramikpul ver; und  Applying a powder layer (Pn-2) made of Keramikpul ver; and
Selektives Bestrahlen der Pulverschicht (Pn-2) zur Erzeugung einer strahlgesinterten Keramikschicht (S2) .  Selective irradiation of the powder layer (Pn-2) to produce a jet-sintered ceramic layer (S2).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Verfahrens eine Röntgenanode (1) hergestellt wird . 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein by means of the method, an X-ray anode (1) is produced.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mittels des Verfahrens eine Wand für einen Fusionsreaktor hergestellt wird. 11. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein by means of the method, a wall for a fusion reactor is produced.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mittels des Verfahrens ein 3D-Kollimator hergestellt wird. 12. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein by means of the method, a 3D collimator is produced.
13. Refraktärmetall-Bauteil (1), welches mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist. 13. Refractory metal component (1), which has been produced by the method according to one of the preceding claims.
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