WO2016150720A1 - Verfahren zum erzeugen eines bauteiles aus einer superlegierung mit einem pulverbettbasierten additiven herstellungsverfahren und bauteil aus einer superlegierung - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines bauteiles aus einer superlegierung mit einem pulverbettbasierten additiven herstellungsverfahren und bauteil aus einer superlegierung Download PDF

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superalloy
particles
powder
powder bed
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Ralph Reiche
Daniel Reznik
Oliver Stier
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a superalloy with a powder bed-based additive manufacturing method.
  • the component is layer by layer in a powder bed by melting the powder bed forming particles with an energy beam such. B. an electron beam or a laser beam.
  • the powder bed is preheated to a temperature below the melting temperature of the particles before and while the particles are melted.
  • the invention relates to a component made of a superalloy, which may have been produced, for example, by the said method.
  • a method of the type described above is known for example from EP 1 355 760 Bl.
  • the selective laser melting method discussed in this document is intended to be suitable for processing refractory materials.
  • pre-heating of the material powder to a temperature of at least 500 ° C. be preceded by melting of the powder.
  • this temperature must still be clearly below the melting point of the material of the powder.
  • the coating of the particles has the advantage that they can be preheated to a higher temperature without having to to cook adjacent particles. This is explained by the fact that ceramic materials can be heated to higher temperatures without caking of the particles.
  • the use according to the invention of a powder which is enveloped merely with a ceramic layer therefore has the advantage that the core of the particles has the material properties which are required on account of the material selection.
  • the ceramic layer acts, so to speak, as a masking of these particles, which behave with regard to the problem of caking by powder preheating, such as ceramic particles.
  • constituents of the layer located on the particles can be incorporated into the constituent component, this proportion is extremely low, since the layer on the particles is a very thin layer.
  • the layer may, for example, have a thickness of at least 1 nm and at most 20 nm. This is advantageously sufficient already so that caking on adjacent particles is effectively prevented. With advantageously selected particle sizes of at least 10 ⁇ m and at most 50 ⁇ m, preferably an average particle size of 25 ⁇ m to 30 ⁇ m, it is then ensured that the proportion of the ceramic with respect to the entire particle material turns out to be very small. Assuming, for example, particles with a diameter of 30 ⁇ m, which are provided with a coating of 3 nm, the volume fraction of the ceramic is only 0.06% (3 ⁇ 3 nm / 15 ⁇ m). Thus, the impurities in the alloy that result from melting the powder by incorporating the material of the cladding into the component can be minimized. Incidentally, it has been shown that the very thin
  • Ceramic layer from the powder flakes off when it is heated to melting This is due to the fact that the metallic alloy forming the core of the particles expands more strongly during heating than the ceramic layers. It is advantageous that the ceramic layers prevent caking of adjacent particles, even if these are due to the Heating the particles from the core of the Particles peel off. In the areas in which the particles touch, the residual layers remain even after a release of the core surface between the respective particles and thus prevent caking.
  • the ceramic contains metals, which also represents an alloying constituent of the superalloy. These metals advantageously interfere with the alloy composition much less than non-alloyed metals, since these only insignificantly shift the alloying proportions in the alloy of the manufactured component.
  • non-alloy alloy components can have a greater share in the fact that the property profile of the material of the component changes.
  • the alloy content of that alloying constituent of the superalloy in the core of the particles, which, as mentioned, is also contained in the ceramic is reduced in comparison to the desired alloy composition of the superalloy.
  • the reduction is carried out according to the invention to an extent that this alloying component based on the entire particle (including the layer) reaches or exceeds the alloy content of the target alloy composition of the superalloy. In other words, a compensation of a possible change in the alloy composition is counteracted here by the fact that this is already taken into account in the production of the component.
  • the material of the layer is then incorporated in the melting of the particles in the material of the forming component and there replaces the missing alloy content in the particles, which was deliberately omitted taking into account this effect.
  • Prerequisite for this measure is a sufficient diffusibility of the alloy component in question, said diffusivity by the on Reason the preheating reduced cooling rate of the component is given.
  • the ceramic is oxidic or nitridic. Oxygen and nitrogen as an alloying component in superalloys can be advantageously taken to some extent without the alloy changing its property profile too much.
  • a nickel-base superalloy is used as the superalloy. From these superalloys, for example, the blades of gas turbines can be produced.
  • the powder is advantageously preheated in this material to a temperature of at least 800 ° C and at most 1000 ° C.
  • the device which enters the heat for the purpose of preheating in the powder bed, that the cooling is cooled after the manufacture of the component at a rate of at most 1 ° C per second.
  • ⁇ ⁇ precipitates of intermetallic phases to form in the nickel-base superalloy component that characterize the typical microstructure of the nickel-base superalloy.
  • Solidus temperature is 1150 ° C. To ensure a slow cooling from this temperature level, the temperature of the powder bed must be slightly lower. A temperature level between 900 ° C and at most 1000 ° C has proven to be advantageous.
  • oxidic or nitridic ceramics are used as a layer on the particles (advantageous are aluminum oxide, titanium). tanoxide, silicon oxide, zirconium oxide, yttrium oxide and aluminum nitride), then a structure is formed in the component which contains oxygen or nitrogen or both alloying components.
  • a component advantageously solves the problem stated at the outset that this can be produced by selective laser melting, the powders described being used.
  • the proportion of oxygen or the proportion of nitrogen does not exceed 0.3% by volume, preferably 0.1% by volume.
  • the layer on the particles can have a sufficient thickness in order to develop its effect.
  • the resulting proportion of nitrogen or oxygen is nevertheless so low that this does not adversely affect the alloy of the component.
  • the proportion of oxygen or the proportion of nitrogen is at least 0.03 vol%, so that the ceramic layer on the particles can have a sufficient thickness.
  • FIG. 1 shows a laser melting system in which an embodiment of the method according to the invention is carried out, cut,
  • FIG. 5 shows a detail of an embodiment of the component according to the invention, which has been prepared according to the figures 2 to 4.
  • FIG. 1 schematically shows a system 11 for laser melting.
  • This has a process chamber 12, in which a powder bed 13 can be produced.
  • a distribution device in the form of a doctor blade 14 is moved over a powder supply 15 and then over the powder bed 13, whereby a thin layer of powder in the powder bed 13 is formed.
  • a laser 16 then generates a laser beam 17, which is moved by means of an optical deflection device with mirror 18 over the surface of the powder bed 13. The powder is melted at the point of impact of the laser beam 17, whereby a component 19 is formed.
  • the powder bed 13 is produced on a building platform 20, which can be lowered incrementally by one respective powder layer thickness via an actuator 21 in a cup-shaped housing 22.
  • heaters 23 are provided in the form of electrical resistance heaters, which can preheat the emerging component 19 and the particles of the powder bed 13.
  • FIG. 2 shows an edge of the component 19 to be produced, which could be produced, for example, in a system according to FIG.
  • This component is located in the powder bed 13, whose edges are indicated by a dot-dash line.
  • 13 selected particles 25 are shown from the powder bed, which consist of the material of a nickel-based alloy.
  • the manufactured component can, for. B. be a turbine blade.
  • the particles each consist of a core 26, which consists of the actual material of the component 19, in the present case a nickel-based alloy.
  • the core 26 of the particles 19 is surrounded by a layer 27 which completely envelopes the core and consists of alumina. This allows a preheating of the powder bed to up to 1000 ° C without adjacent particles 25 caked together.
  • FIG. 3 shows how a part of the powder bed 13 is melted by means of the laser beam 17, namely that part which lies on the edge of the component 19.
  • the cores 26 of the particles 25 melt.
  • the cores 26, which are made of a metallic material expand.
  • the layer 27 partially bursts from the cores 26, resulting from it layer fragments 28 remain in the molten material and dissolve there (alloy formation).
  • part of the layer fragments 28 is blasted so far that they remain outside of the molten bath 29 formed by the laser beam 17.
  • FIG. 4 shows how the laser 17 is moved over the powder bed 13, wherein the molten bath, as shown in FIG. 4, travels from left to right. In this case, a position of the component 19 to be produced corresponding to the layer thickness d of the powder bed is formed. If the laser beam 17 continues to migrate, the material solidifies with simultaneous formation of the component volume. The heating indicated in FIG. 1 causes the cooling rate of the material of the component 19 being produced to be less than 1 ° C. per second.
  • the finished component can be seen. This is shown schematically as a microsection.
  • the material from which the component 19 is made is a nickel-base superalloy. Due to the controlled cooling speed It has been possible to achieve a high proportion of so-called ⁇ ⁇ precipitates 30 from intermetallic phases. These are embedded in a matrix 31 of the component. In this way, a component structure can be achieved by means of the selective laser melt according to the invention, as could hitherto only be produced by casting, for example, turbine blades according to the prior art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteiles mittels beispielsweise Laserschmelzen. Hierbei wird in einem Pulverbett (13) das Bauteil (19) hergestellt, wobei das Pulver durch einen Laserstrahl (17) aufgeschmolzen wird. Soll das Bauteil (19) beispielsweise aus einer Nickel-Basis- Superlegierung hergestellt werden, so lässt sich das für diese Legierung typische Gefüge mit γ'-Ausscheidungen nur erzeugen, wenn erfindungsgemäß die Abkühlrate des erstarrenden und abkühlenden Werkstoffes (kurz hinter dem durch den Laserstrahl (17) erzeugten Schmelzbades) bei weniger als 1 °C pro Sekunde gehalten wird. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Pulverbett mittels Heizeinrichtungen (23) vorgewärmt wird. Eine Vorwärmung des Pulvers bis in Temperaturbereiche von ca. 1000 °C ist erfindungsgemäß nur möglich, in dem das Pulver aus der Nickel-Basis-Superlegierung mit einer dünnen Schicht aus beispielsweise Aluminiumoxid überzogen wird. Hierdurch wird ein Verbacken der Partikel im Pulverbett verhindert, welche nicht an der Ausbildung des Bauteiles (19) beteiligt sind. Das Pulver kann daher nach erfolgtem Herstellungsprozess vorteilhaft leicht entfernt und mehrfach verwendet werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen eines Bauteiles aus einer Superlegierung mit einem pulverbettbasierten additiven Herstellungsver- fahren und Bauteil aus einer Superlegierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteiles aus einer Superlegierung mit einem pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren. Bei diesem Verfahren wird das Bauteil lagenweise in einem Pulverbett durch Aufschmelzen von das Pulverbett bildenden Partikeln mit einem Energiestrahl wie z. B. einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl aufgebaut. Hierbei wird das Pulverbett auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel vorge- wärmt, bevor und während die Partikel aufgeschmolzen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil aus einer Superlegierung, welches beispielsweise nach dem genannten Verfahren hergestellt worden sein kann. Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der EP 1 355 760 Bl bekannt. Das Verfahren zum selektiven Laserschmelzen, das in diesem Dokument diskutiert wird, soll dazu geeignet sein, hochschmelzende Werkstoffe zu verarbeiten. Da ein Interesse daran besteht, auch aus hochschmelzen- den Werkstoffen Bauteile herzustellen, die ein geringes Maß an Eigenspannungen aufweisen, wird gemäß diesem Dokument vorgeschlagen, dass eine Vorheizung des Werkstoffpulvers auf eine Temperatur von mindestens 500 °C einem Aufschmelzen des Pulvers vorgelagert wird. Diese Temperatur muss jedoch noch eindeutig unter dem Schmelzpunkt des Materials des Pulvers liegen .
Weiterhin besteht gemäß Y.-C. Hagedorn at al „Processing of Nickel based super alloy MAR M-247 bei means of High Tempera- ture-Selective Laser Melting (HT-SLM) " High Value Manufactu- ring, Seiten 291 bis 295, London 2014, der Wunsch, auch Materialien aus Superlegierungen als Pulver mittels des selekti- ven Laserschmelzens zu verarbeiten. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, dass die hergestellten Produkte hohen Eigenspannungen unterworfen sind, und aufgrund dieser Tatsache Risse auftreten können. Die Autoren schlagen daher eine intensivere Vorwärmung des Pulvers vor.
Andererseits ist es bekannt, das Pulver, die stark vorgeheizt werden, nach dem Mechanismus des Sinterns miteinander
verbacken. Beim selektiven Laserschmelzen ergibt sich daraus das Problem, dass das Pulverbett sich verfestigt und außerdem mit der Oberfläche des hergestellten Bauteiles verbacken kann. Eine saubere Herauslösung des hergestellten Bauteiles aus dem Pulverbett ist dann nicht mehr möglich. Außerdem lässt sich das Pulver nicht wieder verwenden, wenn die Parti - kel miteinander verbacken. Dies verteuert das Verfahren, da regelmäßig Rohmaterial verworfen werden muss. Das Verbacken des Pulverbettes kann zusätzlich dazu führen, dass die Oberfläche des Pulverbettes nicht eben bleibt. Der Auftrag erneuter Pulverschichten wird damit erschwert und es können geo- metrische Fehler in der Oberfläche des Pulverbettes auftreten. Hierdurch wird die Qualität der herzustellenden Bauteile beeinträchtigt .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteiles aus einer Superlegierung mit einem pulver- bettbasierten additiven Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem sich Bauteile aus Superlegierungen herstellen lassen, die den an die Bauteile gestellten Anforderungen genügen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Bauteil anzuge- ben, welches sich kostengünstig mit hoher Zuverlässigkeit herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Pulver verwendet wird, dessen Partikel mit einer keramischen Schicht umhüllt sind.
Die Beschichtung der Partikel hat den Vorteil, dass diese auf eine höhere Temperatur vorgewärmt werden können, ohne an be- nachbarten Partikeln anzubacken. Dies wird dadurch erklärt, dass sich keramische Materialien bis zu höheren Temperaturen erwärmen lassen, ohne dass ein Zusammenbacken der Partikel erfolgt. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Pulvers, wel- ches lediglich mit einer keramischen Schicht umhüllt ist, hat also den Vorteil, dass der Kern der Partikel die Werkstoffei- genschaften aufweist, die aufgrund der Materialauswahl gefordert werden. Die keramische Schicht wirkt sozusagen als Maskierung dieser Teilchen, die sich hinsichtlich der Fragestel- lung eines Anbackens durch Pulvervorwärmung verhalten, wie keramische Partikel. Zwar können Bestandteile der auf den Partikeln befindlichen Schicht in das sich ausbildende Bauteil eingebaut werden, jedoch ist dieser Anteil außerordentlich gering, da es sich bei der Schicht auf den Partikeln um eine sehr dünne Schicht handelt. Die Schicht kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 20 nm aufweisen. Dies genügt vorteilhaft bereits, damit ein Anbacken an benachbarten Partikeln wirksam unterbunden wird. Bei vorteilhaft gewählten Partikelgrößen von mindestens 10 μπι und höchstens 50 μπι, bevorzugt einer mittleren Partikelgröße von 25 \im bis 30 μπι ist dann sichergestellt, dass der Anteil an der Keramik in Bezug auf das gesamte Partikelmaterial sehr gering ausfällt. Nimmt man beispielsweise Partikel mit einem Durchmesser von 30 μπι an, die mit einer Beschichtung von 3 nm versehen sind, so liegt der Volumenanteil der Keramik lediglich bei 0,06 % (3 x 3 nm / 15 μπι) . Damit können die Verunreinigungen in der Legierung, die sich beim Aufschmelzen des Pulvers dadurch ergeben, dass das Material der Umhüllung in das Bauteil eingebaut wird, auf ein Minimum beschränkt wer- den. Im Übrigen hat es sich gezeigt, dass die sehr dünne
Keramikschicht von dem Pulver abplatzt, wenn dieses bis zum Aufschmelzen erhitzt wird. Dies liegt daran, dass sich die metallische Legierung, die den Kern der Partikel bildet, bei der Erwärmung stärker ausdehnt, als die keramischen Schich- ten. Vorteilhaft ist, dass die keramischen Schichten ein Anbacken benachbarter Partikel auch dann verhindern, wenn diese sich aufgrund der Erwärmung der Partikel von dem Kern der Partikel ablöst. In den Bereichen, in denen die Partikel sich berühren, verbleiben die Schichtreste auch nach einem Lösen von der Kernoberfläche zwischen den jeweiligen Partikeln und verhindern so das Anbacken.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Keramik Metalle enthält, die auch einen Legierungsbestandteil der Superlegierung darstellt. Diese Metalle stören die Legierungszusammensetzung vorteilhaft viel weniger als legierungsfremde Metalle, da diese lediglich die Legierungsanteile in der Legierung des hergestellten Bauteiles unwesentlich verschieben. Artfremde Legierungsbestandteile können demgegenüber einen stärkeren Anteil daran haben, dass sich das Eigenschaftprofil des Materials des Bauteiles ändert.
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen werden, dass der Legierungsgehalt desjenigen Legierungsbestandteiles der Superlegierung im Kern der Partikel, der wie erwähnt auch in der Ke- ramik enthalten ist, im Vergleich zur Soll- Legierungszusammensetzung der Superlegierung vermindert ist. Die Verminderung erfolgt erfindungsgemäß in einem Maße, dass dieser Legierungsbestandteil bezogen auf das gesamte Partikel (inklusive der Schicht) den Legierungsgehalt der Soll- Legierungszusammensetzung der Superlegierung erreicht oder übertrifft. Mit anderen Worten wird hier ein Ausgleich einer möglichen Veränderung der Legierungszusammensetzung dadurch entgegengewirkt, dass dieser bei der Herstellung des Bauteiles bereits berücksichtigt wird.
Das Material der Schicht wird beim Aufschmelzen der Partikel dann in das Material des sich ausbildenden Bauteiles aufgenommen und ersetzt dort den fehlenden Legierungsanteil in den Partikeln, der unter Berücksichtigung dieses Effektes bewusst weggelassen wurde. Voraussetzung für diese Maßnahme ist ein genügendes Diffusionsvermögen des betreffenden Legierungsbestandteiles, wobei dieses Diffusionsvermögen durch die auf Grund der Vorwärmung verringerte Abkühlgeschwindigkeit des Bauteiles vorgegeben ist.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Keramik oxidisch oder nitridisch ist. Sauerstoff und Stickstoff als Legierungsbestandteil in Superlegierungen können vorteilhaft bis zu einem gewissen Maß hingenommen werden, ohne dass die Legierung ihr Eigenschaftsprofil in zu starkem Maße ändert .
Vorteilhaft wird als Superlegierung eine Nickel-Basis- Superlegierung verwendet . Aus diesen Superlegierungen können beispielsweise die Schaufeln von Gasturbinen hergestellt werden. Das Pulver wird bei diesem Werkstoff vorteilhaft auf ei- ne Temperatur von mindestens 800 °C und höchstens 1000 °C vorgewärmt. Außerdem wird mittels der Vorrichtung, die die Wärme zum Zwecke der Vorwärmung in das Pulverbett einträgt, sichergestellt, dass die Abkühlung nach der Herstellung des Bauteiles mit einer Geschwindigkeit von höchstens 1 °C pro Sekunde abgekühlt wird. Vorteilhaft lässt sich damit erreichen, dass sich in dem Bauteil aus der Nickel-Basis- Superlegierung γλ -Ausscheidungen von intermetallischen Phasen ausbilden können, die das typische Gefüge der Nickel-Basis- Superlegierung charakterisieren. Für die Bildung dieser Aus- Scheidungen ist es allgemein bekannt, dass das Wachstum der kuboiden γλ -Ausscheidungen bei einer zu schnellen Abkühlung unterdrückt wird. Wird das Bauteil langsamer als mit 1° C pro Sekunde abgekühlt, entstehen jedoch bei Unterschreiten der γλ -Solidus-Temperatur die genannten Ausscheidungen. Die
Solidus-Temperatur liegt bei 1150°C. Um aus diesem Temperatur-Niveau eine langsame Abkühlung zu gewährleisten, muss die Temperatur des Pulverbettes geringfügig tiefer liegen. Ein Temperatur-Niveau zwischen 900 °C und höchstens 1000 °C hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen.
Werden oxidische oder nitridische Keramiken als Schicht auf den Partikeln verwendet (vorteilhaft sind Aluminiumoxid, Ti- tanoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid und Aluminiumnitrid) , dann bildet sich in dem Bauteil ein Gefüge, welches Sauerstoff oder Stickstoff oder beide Legierungsanteile enthält. Ein solches Bauteil löst vorteilhaft die eingangs ange- gebene Aufgabe, dass dieses sich mit selektivem Laserschmelzen herstellen lässt, wobei die beschriebenen Pulver zum Einsatz kommen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauteiles ist vorgesehen, dass der Anteil an Sauerstoff oder der Anteil an Stickstoff 0,3 Vol-%, bevorzugt 0,1 Vol-%, nicht übersteigt. Hierdurch ist vorteilhaft sichergestellt, dass einerseits die Schicht auf den Partikeln eine genügende Dicke aufweisen kann, um ihre Wirkung zu entfalten. Andererseits ist der da- raus resultierende Anteil an Stickstoff oder Sauerstoff dennoch so gering, dass sich dies nicht negativ auf die Legierung des Bauteiles auswirkt.
Andererseits ist vorgesehen, dass der Anteil an Sauerstoff oder der Anteil an Stickstoff mindestens 0,03 Vol-% beträgt, damit die keramische Schicht auf den Partikeln eine genügende Dicke aufweisen kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 eine Laserschmelzanlage, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, geschnitten,
Fig. 2 bis 4 ausgewählte Schritte bei der Durchführung des
Verfahrens gemäß Figur 1, wobei ein kleiner
Ausschnitt des in Herstellung befindlichen Bauteiles geschnitten dargestellt ist, und Figur 5 einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteiles, welches gemäß den Figuren 2 bis 4 herstellt wurde.
In Figur 1 ist eine Anlage 11 zum Laserschmelzen schematisch darstellt. Diese weist eine Prozesskammer 12 auf, in der ein Pulverbett 13 hergestellt werden kann. Zur Herstellung jeweils einer Lage des Pulverbettes 13 wird eine Verteilungseinrichtung in Form einer Rakel 14 über einen Pulvervorrat 15 und anschließend über das Pulverbett 13 bewegt, wodurch eine dünne Schicht an Pulver im Pulverbett 13 entsteht. Ein Laser 16 erzeugt dann einen Laserstrahl 17, der mittels einer optischen Umlenkvorrichtung mit Spiegel 18 über die Oberfläche des Pulverbettes 13 bewegt wird. Dabei wird das Pulver am Auftreffpunkt des Laserstrahls 17 aufgeschmolzen, wodurch ein Bauteil 19 entsteht.
Das Pulverbett 13 entsteht auf einer Bauplattform 20, welche über einen Aktor 21 in einem topfformigen Gehäuse 22 schritt- weise um jeweils eine Pulverlagendicke abgesenkt werden kann. In dem Gehäuse 22 sowie der Bauplattform 20 sind Heizeinrichtungen 23 in Form von elektrischen Widerstandsheizungen vorgesehen, welche das in Entstehung befindliche Bauteil 19 sowie die Partikel des Pulverbettes 13 vorwärmen können. Um den Energiebedarf zur Vorwärmung zu begrenzen, befindet sich an dem Gehäuse 22 außen eine Isolation 24 mit geringer thermischer Leitfähigkeit.
In Figur 2 ist eine Kante des herzustellenden Bauteiles 19 dargestellt, welches beispielsweise in einer Anlage gemäß Figur 1 hergestellt werden könnte. Dieses Bauteil befindet sich im Pulverbett 13, dessen Ränder durch eine strichpunktierte Linie angedeutet sind. Außerdem sind aus dem Pulverbett 13 ausgewählte Partikel 25 dargestellt, die aus dem Material ei- ner Nickel-Basis-Legierung bestehen. Das herzustellende Bauteil kann z. B. eine Turbinenschaufel sein. Die Partikel bestehen jeweils aus einem Kern 26, welcher aus dem eigentlichen Werkstoff des Bauteiles 19 besteht, im vorliegenden Fall einer Nickel-Basis-Legierung. Außerdem ist der Kern 26 der Partikel 19 von einer Schicht 27 umgeben, welcher dem Kern jeweils vollständig umhüllt und aus Aluminiumoxid besteht. Dies ermöglicht eine Vorwärmung des Pulverbettes auf bis zu 1000 °C, ohne dass benachbarte Partikel 25 miteinander verbacken . In Figur 3 ist dargestellt, wie mittels des Laserstrahls 17 ein Teil des Pulverbettes 13 aufgeschmolzen wird, nämlich derjenige Teil, der an der Kante des Bauteils 19 liegt. Dabei schmelzen die Kerne 26 der Partikel 25 auf. Bevor es zu einem Aufschmelzen kommt, dehnen sich die Kerne 26, die aus einem metallischen Werkstoff bestehen, jedoch aus. Dabei platzt die Schicht 27 teilweise von den Kernen 26 ab, wobei daraus entstehende Schichtfragmente 28 in dem aufgeschmolzenen Werkstoff verbleiben und sich dort auflösen (Legierungsbildung) . Ein Teil der Schichtfragmente 28 wird jedoch soweit abge- sprengt, dass diese außerhalb des durch den Laserstrahl 17 gebildeten Schmelzbades 29 verbleiben.
In Figur 4 ist zu erkennen, wie der Laser 17 über das Pulverbett 13 bewegt wird, wobei das Schmelzbad, wie in Figur 4 dargestellt, von links nach rechts wandert. Hierbei wird eine der Lagendicke d des Pulverbettes entsprechende Lage des herzustellenden Bauteiles 19 ausgebildet. Wandert der Laserstrahl 17 weiter, erstarrt das Material bei gleichzeitiger Ausbildung des Bauteilvolumens. Die in Figur 1 angedeutete Heizung bewirkt, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Materials des in Herstellung befindlichen Bauteiles 19 bei weniger als 1 °C pro Sekunde liegt.
In Figur 5 ist das fertiggestellte Bauteil zu erkennen. Die- ses ist schematisch als Schliffbild dargestellt. Das Material, aus dem das Bauteil 19 gefertigt ist, ist eine Nickel- Basis-Superlegierung . Durch die kontrollierte Abkühlgeschwin- digkeit ist es gelungen, einen hohen Anteil so genannter γλ - Ausscheidungen 30 aus intermetallischen Phasen zu erzielen. Diese sind in einer Matrix 31 des Bauteiles eingebettet. Damit lässt sich mittels des erfindungsgemäßen selektiven La- serschmelzens ein Bauteilgefüge erreichen, wie dies gemäß dem Stand der Technik bisher nur durch Gießen beispielsweise von Turbinenschaufeln erzeugt werden konnte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils (19) aus einer Su- perlegierung mit einem pulverbettbasierten additiven Herstel- lungsverfahren,
bei dem das Bauteil (19) lagenweise in einem Pulverbett (13) durch Aufschmelzen von das Pulverbett (13) bildenden Partikeln (25) mit einem Energiestrahl (17) aufgebaut wird, wobei das Pulverbett (13) auf eine Temperatur unterhalb der
Schmelztemperatur der Partikel (25) vorgewärmt wird, bevor und während die Partikel (25) aufgeschmolzen werden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Pulver verwendet wird, dessen Partikel (25) mit einer keramischen Schicht (27) umhüllt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Keramik Metalle enthält, die auch einen Legierungsbestandteil der Superlegierung darstellen.
3. Verfahren nach Anspruch 2 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Legierungsgehalt desjenigen Legierungsbestandteils der Superlegierung, der auch in der Keramik enthalten ist, im Vergleich zur Soll -Legierungszusammensetzung der Superlegierung in dem Maße vermindert ist, dass dieser Legierungsbestandteil unter Berücksichtigung der Menge des betreffenden in der Schicht (27) enthaltenen Metalls bezogen auf das beschichtete Partikel (25) den Legierungsgehalt der Soll- Legierungszusammensetzung erreicht oder übertrifft.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Keramik oxidisch oder nitridisch ist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schicht (27) auf den Partikeln (25) eine Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 20 nm aufweist.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass Partikel (25) mit einer Partikelgröße von mindestens 10 μπι und höchstens 50 μπι, bevorzugt mit einer mittleren
Partikelgröße von 25 μπι bis 30 μπι verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als Superlegierung eine Nickelbasis-Superlegierung verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Pulverbett (13) auf eine Temperatur von mindestens
800 °C und höchstens 1000 °C vorgewärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Bauteil (19) nach dessen Fertigstellung mit einer Geschwindigkeit von höchstens 1 °C / s abgekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Keramik aus der Gruppe folgender Werkstoffe ausgewählt wird: Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid,
Zirkonoxid, Yttriumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumoxid.
11. Bauteil aus einer Superlegierung
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Legierungszusammensetzung der Superlegierung einen Legierungsanteil an Sauerstoff oder an Stickstoff enthält.
12. Bauteil nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Anteil an Sauerstoff oder der Anteil an Stickstoff 0,3 Vol-% nicht übersteigt.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass er Anteil an Sauerstoff oder der Anteil an Stickstoff mindestens bei 0,03 Vol-% liegt.
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