WO2019192633A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils, kapsel für heiss isostatisches pressen und bauteilanordnung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils, kapsel für heiss isostatisches pressen und bauteilanordnung Download PDF

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WO2019192633A1
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isostatic pressing
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Rudolf Derntl
Konrad Schäfer
Peter Scholz
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Hermle Maschinenbau Gmbh
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    • C23C18/36—Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron using reducing agents using hypophosphites

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component with at least one opening open to a surface of the component. Moreover, the present invention also relates to a capsule for hot isostatic pressing and a component assembly comprising a component having at least one opening opened to a surface of the component and a capsule for hot isostatic pressing.
  • an object of the invention to provide a method for producing a component having at least one opening open to a surface of the component, which is easy to implement and protects the geometric dimensions of the recess. Moreover, it is an object of the present invention to provide a capsule for hot isostatic pressing, which facilitates the implementation of a HIP method and enables the production of a component with at least one opening opened to a surface of the component. Another object of the present invention is to provide a component assembly in which the component comprises at least one open to a surface of the component recess with stabilized dimensions.
  • a method for producing a component having at least one opening opened to a surface of the component is described.
  • the component is not limited in detail and can be advantageously designed as a steel component.
  • the component has at least one recess.
  • a recess means a cavity, a cavity or another recess provided in the component such that it extends at least partially below the surface of the component, but at least one opening to one or more surfaces of the component Component has.
  • the recess is designed in the form of a channel formed in the component.
  • the channel may e.g. as a medium leading channel, the medium e.g. a gas or a liquid, e.g. a cooling medium or a hydraulic fluid may be.
  • the channel is open to at least one surface of the component, that is, the channel has at least one access over the surface of the component, so that e.g. Gases or liquids can be introduced into the channel.
  • the channel may advantageously have at least two openings which open to the same surface of the component or to different surfaces of the component.
  • the shape, dimensioning and shape of the channel and thus the recess are not limited in detail and depend on the intended use of the recess.
  • the method according to the invention initially comprises a step of forming a capsule for hot isostatic pressing of the component.
  • the capsule for the hot isostatic pressing for the production of the component is formed according to the invention by chemical coating of the component.
  • chemical coating is meant a coating process using a particular gaseous or liquid coating composition with which the component is added. This is particularly advantageous in a dipping bath containing the coating composition.
  • the coating composition may already contain the material from which the capsule is formed in its final form or else in a preform which is converted into the final form by downstream process steps or processes proceeding in parallel with the coating process.
  • the coating process surrounds the component with the coating composition and in particular flows around it.
  • the coating composition not only reaches the surface of the component but also penetrates through the opening to at least one surface of the component in the recess, so that not only all freely present on the outer surface of the component areas are coated but all accessible from outside of the component areas, and thus in particular the recess, ie in particular the recess forming wall.
  • the capsule is thus formed on all surfaces accessible from outside the component.
  • hot isostatic pressing of the component takes place.
  • the HIP procedure is performed using common parameters. In particular, the temperature during the HIP process is chosen so that melting of the capsule is prevented.
  • the component in its overall shape during the HIP.
  • a depression or sinking of the component into the recess by the pressure applied during the HIP process is prevented or effectively prevented.
  • chemical coating cracks or pores, e.g. are formed during the manufacture of the component, are closed. Undesired openings, such as such cracks or damage to the component, are sealed by forming the capsule for the HIP by chemical coating. This also leads to a significant improvement in the quality of the component.
  • the recess is stabilized in its shape and design, so that when using the component any remaining in the recess or to be transported liquids, gases or solids remain in the recess without penetrating into unwanted openings, cracks or indentations of the component.
  • the capsule is formed by depositing nickel and phosphorus or nickel and boron.
  • a content of nickel in the material of the capsule is advantageous in the light of an improvement in the corrosion resistance of the component, in particular if the component is a steel component.
  • the nickel can be deposited as pure nickel and next to it in combination with boron or phosphorus.
  • the combination with phosphorus or boron causes additional corrosion stability of the capsule.
  • the combination of nickel and boron or nickel and phosphorus is advantageously deposited in the form of layers using one or more coating compositions, where nickel can be used, for example, as nickel salt, in particular as nickel sulfate, phosphorus, for example as sodium hypophosphite and boron as NaBH 4 .
  • nickel By reduction of the Nickel in the nickel sulphate forms elemental nickel and elemental phosphorus or elemental boron.
  • the elemental nickel, the elemental phosphorus or the elemental boron can also react with one another to form mixed compounds, in particular under the effect of temperature.
  • a formation of mixed compounds of nickel and phosphorus is particularly advantageous, since thus the phosphorus is present in bound form, which increases the process reliability.
  • nickel In addition to the mixed phases, nickel can be deposited in elemental form and then binds the mixed phases.
  • One of these advantageously formed mixed compounds has a content of phosphorus, based on the deposited total mass of nickel and phosphorus, from 1 to 3% by weight.
  • a capsule with this composition of nickel and phosphorus provides particularly good protection against high-temperature corrosion.
  • the method further comprises a heat treatment in a temperature range of 300 to 450 ° C, in particular in a temperature range of 350 to 400 ° C before the hot isostatic pressing , includes.
  • a heat treatment in a temperature range of 300 to 450 ° C, in particular in a temperature range of 350 to 400 ° C before the hot isostatic pressing , includes.
  • the heat treatment is preferably carried out over a period of about one to two hours, which is advantageous in terms of the stabilization of the capsule on the component and does not significantly increase the process cost.
  • a layer thickness of the capsule is selected accordingly.
  • the layer thickness of the capsule can also vary with the capsule material.
  • the capsule is advantageously formed with a layer thickness in the range from 1 to 200 ⁇ m, in particular from 10 to 100 ⁇ m and in particular in a range from 20 to 50 ⁇ m. Low layer thicknesses, through which material for the capsule can be saved, are possible if they are gas-tight.
  • a capsule for hot isostatic pressing of a component with at least one opening open to the surface of the component.
  • the capsule is formed by chemical deposition.
  • the material of the capsule is chemically deposited, wherein the material of the Capsule may initially also be present in precursor form, which is then converted into the final form from which the capsule for the HIP final is formed.
  • the chemical deposition of the capsule capsule material can be deposited even in the recess itself.
  • the recess can be effectively stabilized in its shape, dimensioning and shape.
  • the capsule is present on all accessible from outside of the component surfaces, and in particular in the recess and can be formed by a very simple process management. Also, cracks, indentations and bumps in the component can be sealed, closed or compensated by the chemically deposited capsule.
  • the capsule contains nickel and phosphorus or nickel and boron.
  • the capsule can be made particularly resistant to corrosion.
  • the capsule contains nickel and phosphorus or nickel and boron, and is in particular in the form of the phases Ni 3 P or Ni 3 B, which are characterized by good chemical stability.
  • nickel can also be present in elemental form and then binds the mixed phases. The phosphor is stabilized during the HIP because of the applied pressure so that it remains in the solid phase.
  • the capsule has a layer thickness in a range of 1 to 200 .mu.m, in particular from 10 to 100 .mu.m and in particular in a range of 20 to 50 pm, up.
  • the component assembly according to the invention comprises a component with at least one opening open to a surface of the component and a capsule for hot isostatic pressing (HIP), wherein the capsule for the hot isostatic pressing of the component is formed on the surfaces of the recess.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the component contained in the component assembly is not limited in detail.
  • the component is a steel component.
  • the component can be produced by conventional methods.
  • the component is a through generative method, such as a spraying method, and hereunder, in particular a cold gas spraying method, manufactured component.
  • the component has at least one recess, that is to say a cavity, a cavity, channel or another recess which runs partly in the interior of the component but has at least one opening which leads to a surface of the component.
  • the recess is a channel which runs at least partially below the surface of the component and has an opening, that is to say an access, on at least one surface of the component.
  • the surfaces of the recess have a capsule for HIP.
  • the boundaries of the recess are those boundaries or walls of the recess which are formed by the provision of the recess in the component, ie those surfaces which surround the clearance formed by the recess.
  • the capsule surrounds at least the free space and is arranged on the surfaces surrounding the free space. This is particularly advantageous for the reduction of capsule material and sufficient for the HIP process, especially if the component is gas-tight.
  • a component having at least one opening opened to a surface of the component can be provided by applying a HIP method, which is characterized by a simple structure and very good stability.
  • a HIP method which is characterized by a simple structure and very good stability.
  • any cracks, indentations or other surface defects are closed and sealed, so that after application of a HIP method, a component with high quality quality can be obtained.
  • the capsule is formed on all accessible from outside of the component surfaces of the component.
  • the component can be stabilized from all sides during the HIP process.
  • transportation or storage in the component existing cracks, indentations or other surface defects are closed, straightened and / or sealed.
  • the capsule is formed by chemical deposition, the quality of the component obtained from the component assembly can be promoted.
  • the recess not only the recess but the entire component during an applicable HIP process can be protected by the capsule, so that the shape, shape and dimensions of the component are retained.
  • the capsule is formed by chemical deposition of nickel and phosphorus or of nickel and boron, since this improves the corrosion stability and, in the case of chemical deposition of nickel and phosphorus or nickel and boron, in particular the high-temperature corrosion stability of a component obtained by the further processing of the component assembly ,
  • the capsule is preferably formed of Ni 3 P or Ni 3 B.
  • nickel can also be present in elemental form and binds the above-mentioned mixed phases.
  • a particularly good stability of the component arrangement during an applicable HIP method can be achieved by the advantageous development in which the capsule has a layer thickness in a range from 1 to 200 ⁇ m, in particular from 10 to 100 ⁇ m and in particular in a range from 20 to 50 pm.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of method steps of a method for producing a component with at least one opening open to a surface of the component according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a sectional view of a capsule for hot isostatic pressing according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a sectional view of a component assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows method steps of a method for producing a component with at least one opening open to a surface of the component.
  • the component can advantageously be designed as a steel component.
  • the recess is not limited in detail and may be formed as a recess, cavity, channel or any other cavity.
  • the recess is a free space formed by, for example, a metal-removing method, ie, explicitly no pore formed in the material of the component.
  • a component with a recess can also be produced by a generative method, for example an injection process, such as cold gas spraying.
  • a capsule for hot isostatic pressing of the component is formed. This is done by chemically coating the component with the capsule material or with a precursor of the capsule material, for example by dipping the component in a dipping bath filled with a coating composition containing the later-depositing capsule material or its precursor. Alternatively, the capsule may also be formed by depositing the capsule material from the gas phase.
  • the component Due to the chemical coating of the component, not only the surfaces surrounding the component are coated, but in particular also the walls of the recess, that is to say the surfaces surrounding a free space in the interior of the component. This is particularly possible by the embodiment in which the component is immersed in a dipping bath with coating composition.
  • the component and the recess can also be flowed through or through with a gaseous or liquid capsule material or capsule material precursor. Thus all surfaces accessible from outside the component are coated.
  • process step 200 a heat treatment in a temperature range of 300 to 450 ° C takes place.
  • the capsule material can adhere very well to the surfaces of the component.
  • This process step is particularly suitable if the capsule material comprises nickel and phosphorus, since in this way the stable phase Ni 3 P is formed from nickel and phosphorus. Release of phosphorus during the further course of the process is thus effectively prevented by application of pressure during the HIP.
  • FIG. 2 shows a capsule for hot isostatic pressing 1 according to an embodiment of the invention.
  • the capsule 1 is shown together with a component 2.
  • the component 2 has a recess 3, which is formed in the form of an elongated recess in the component 2 and is open to a surface 4 of the component 2.
  • the component 2 is in particular a steel component which is produced by a generative process, such as e.g. a spraying method with which recess 3 has been formed. Subsequently, the capsule 2 was formed, by chemical deposition of the material of the capsule 1.
  • the material of the capsule 1 may already be the final shape of the capsule 1, but it can also be a precursor of the material of the capsule 1 chemically deposited and subsequently converted into the final form.
  • the capsule 1 preferably contains nickel and phosphorus or nickel and boron to improve the corrosion resistance of the component 2.
  • the capsule 1 is made of Ni 3 P or Ni 3 B and, if appropriate, also elemental nickel, which also improves the high-temperature corrosion resistance.
  • the capsule 1 is formed on the surface 4 of the component 2 as well as on the surfaces 5 of the recess 3.
  • the capsule 1 is formed on all surfaces accessible from outside the component 2, so that the component 2 is stabilized during execution of a HIP process.
  • the recess 3 is stabilized in its shape, shape and dimensions so that a sinking or indentation is impaired while affecting the recess 3.
  • a layer thickness S of the capsule 1 is in a range of 1 to 200 pm.
  • the layer thickness S is measured perpendicular to the application surface.
  • FIG. 3 shows a component arrangement 10 comprising a component 2 and a capsule 1 for hot isostatic pressing.
  • the component 2 is in particular a steel component produced by a generative process.
  • the component 2 has two recesses 3 and 6.
  • the recess 3 has two openings to a surface 4 of the component 2, so that there is a channel which is accessible from two sides, namely from the two openings to the surface 4 of the component. 2
  • the recess 6 is formed in the interior of the component 2 and likewise has at least one opening leading to a surface of the component 2.
  • the capsule 1 is formed for the hot isostatic pressing of the component 2.
  • the surfaces 5 of the recesses 3 and 6 are understood to mean the respective walls of the component 2, which surround the free space of the recesses 3, 6.
  • the capsule 1 may be formed as shown in Figure 2, in particular by chemical deposition of the capsule material containing in particular nickel and phosphorus or nickel and boron.
  • FIGS. 1 to 3 In addition to the above written description of the invention, reference is made to the accompanying disclosure of the invention in FIGS. 1 to 3 explicitly referred to.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2) mit mindestens einer zu einer Oberfläche (4) des Bauteils (2) geöffneten Aussparung (3, 6) umfassend die Schritte: i) Bilden einer Kapsel (1) für heiß isostatisches Pressen des Bauteils (2) durch chemisches Beschichten des Bauteils (2) und ii) heiß isostatisch Pressen des Bauteils (2).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, Kapsel für heiß
isostatisches Pressen und Bauteilanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen sowie eine Bauteilanordnung, die ein Bauteil mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung und eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen umfasst.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unter Anwendung von heiß isostatischem Pressen (HIP) bekannt. So beschreibt DE 10 2016 206 105 A1 die Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks durch HIP. In dem Verfahren wird in Vorbereitung des HIP-Verfahrens durch einen pulvermetallurgischen Prozess und anschließende Bestrahlung mit energiereicher Strahlung eine Kapsel (Wandung) gebildet. Diese pulvermetallurgischen Prozesse sind sehr aufwendig und kostenintensiv. Zudem lässt sich auf diese Weise aufgrund der Unzugänglichkeit nur sehr schlecht eine Kapsel für HIP in Aussparungen, wie z.B. Kanälen im Werkstück, erzeugen, was zu Verformungen oder Schäden am Werkstück während des HIP führen kann. Auch ist die energiereiche Strahlung nur schwierig in Aussparungen eintragbar, insbesondere wenn diese verwinkelt sind und unter der Oberfläche des Werkstücks verlaufen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung anzugeben, das leicht umsetzbar ist und die geometrischen Dimensionen der Aussparung schützt. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen bereitzustellen, die die Durchführung eines HIP-Verfahrens erleichtert und die Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Bauteilanordnung anzugeben, in der das Bauteil mindestens eine zu einer Oberfläche des Bauteils geöffnete Aussparung mit stabilisierten Dimensionen umfasst.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
Somit wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung beschrieben. Das Bauteil ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann vorteilhafterweise als Stahlbauteil ausgebildet sein. Das Bauteil weist mindestens eine Aussparung auf. Unter einer Aussparung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kavität, ein Hohlraum oder eine sonstige Ausnehmung verstanden, die so in dem Bauteil vorgesehen ist, dass sie mindestens teilweise unterhalb der Oberfläche des Bauteils verläuft, jedoch mindestens eine Öffnung zu einer oder zu mehreren Oberflächen des Bauteils aufweist.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Aussparung in Form eines im Bauteil gebildeten Kanals ausgeführt. Der Kanal kann z.B. als ein Medium führender Kanal verwendet werden, wobei das Medium z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, wie z.B. ein Kühlmedium oder eine Hydraulikflüssigkeit, sein kann. Hierzu ist der Kanal zu mindestens einer Oberfläche des Bauteils geöffnet, d.h., der Kanal hat über die Oberfläche des Bauteils mindestens einen Zugang, so dass z.B. Gase oder Flüssigkeiten in den Kanal eingebracht werden können. Um ein Durchströmen des Kanals mit Medium zu ermöglichen, kann der Kanal vorteilhaft mindestens zwei Öffnungen aufweisen, die sich zu derselben Oberfläche des Bauteils oder zu unterschiedlichen Oberflächen des Bauteils öffnen. Die Form, Dimensionierung und Gestalt des Kanals und damit der Aussparung, sind im Einzelnen nicht beschränkt und richten sich nach dem Verwendungszweck der Aussparung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Bildens einer Kapsel für heiß isostatisches Pressen des Bauteils. Die Kapsel für das heiß isostatische Pressen zur Herstellung des Bauteils wird erfindungsgemäß durch chemisches Beschichten des Bauteils gebildet. Unter chemischem Beschichten wird hierbei ein Beschichtungsprozess unter Anwendung einer insbesondere gasförmigen oder flüssigen Beschichtungszusammensetzung verstanden, mit der das Bauteil versetzt wird. Dies erfolgt besonders vorteilhaft in einem Tauchbad, das die Beschichtungszusammensetzung enthält. Die Beschichtungszusammensetzung kann dabei bereits das Material, aus dem die Kapsel gebildet wird in seiner Endform enthalten oder aber in einer Vorform, die durch nachgeschaltete oder parallel mit dem Beschichtungsprozess ablaufende Prozessschritte in die Endform umgewandelt wird. Durch den Beschichtungsprozess wird das Bauteil mit der Beschichtungszusammensetzung umgeben und insbesondere umströmt. Durch die Strömungseigenschaften und/oder durch Diffusionsprozesse gelangt die Beschichtungszusammensetzung dabei nicht nur an die Oberfläche des Bauteils sondern dringt über die Öffnung zu mindestens einer Oberfläche des Bauteils auch in die Aussparung ein, so dass nicht nur alle frei an der äußeren Oberfläche des Bauteils vorliegenden Bereiche beschichtet werden, sondern alle von außerhalb des Bauteils zugänglichen Bereiche, und damit insbesondere auch die Aussparung, also insbesondere die die Aussparung bildende Wandung. Erfindungsgemäß wird die Kapsel somit auf allen von außerhalb des Bauteils zugänglichen Oberflächen gebildet.
Im Anschluss an das Bilden der Kapsel erfolgt das heiß isostatische Pressen des Bauteils. Das HIP-Verfahren wird unter Anwendung üblicher Parameter ausgeführt. Insbesondere wird die Temperatur während des HIP-Verfahrens so gewählt, dass ein Schmelzen der Kapsel verhindert wird.
Dadurch dass nicht nur die Oberfläche des Bauteils von der Kapsel umgeben wird, sondern auch die Aussparung, also die Wandung der Aussparung, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren das Bauteil in seiner Gesamtgestalt während des HIP stabilisiert werden. Einem Eindrücken oder Einsinken des Bauteils in die Aussparung durch den während des HIP- Verfahrens angewendeten Druck wird vorgebeugt, bzw. wird effektiv verhindert. Durch das chemische Beschichten können ferner Risse oder Poren, die z.B. während der Herstellung des Bauteils gebildet wurden, verschlossen werden. Unerwünschte Öffnungen, wie eben solche Risse oder Beschädigungen des Bauteils, werden durch das Bilden der Kapsel für das HIP durch chemisches Beschichten abgedichtet. Dies führt auch zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität des Bauteils. Zudem wird die Aussparung in ihrer Form und Ausgestaltung stabilisiert, so dass bei Verwendung des Bauteils etwaige in die Aussparung gelangende oder zu transportierende Flüssigkeiten, Gase oder auch Feststoffe in der Aussparung verbleiben, ohne in unerwünschte Öffnungen, Risse oder Einkerbungen des Bauteils einzudringen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Kapsel durch Abscheiden von Nickel und Phosphor oder von Nickel und Bor gebildet. Ein Gehalt an Nickel im Material der Kapsel ist vorteilhaft im Lichte einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Bauteils, insbesondere wenn das Bauteil ein Stahlbauteil ist. Das Nickel kann dabei als reines Nickel und daneben in Kombination mit Bor oder Phosphor abgeschieden werden. Insbesondere die Kombination mit Phosphor bzw. Bor bewirkt eine zusätzliche Korrosionsstabilität der Kapsel. Die Kombination aus Nickel und Bor oder Nickel und Phosphor wird vorteilhaft in Form von Schichten unter Verwendung einer oder mehrerer Beschichtungszusammensetzungen abgeschieden, wobei Nickel z.B. als Nickelsalz, insbesondere als Nickelsulfat, Phosphor z.B. als Natriumhypophosphit und Bor als NaBH4 eingesetzt werden kann. Durch Reduktion des Nickels in dem Nickelsulfat werden elementares Nickel und elementarer Phosphor bzw. elementares Bor gebildet. Das elementare Nickel, der elementare Phosphor bzw. das elementare Bor können ferner miteinander zu Mischverbindungen reagieren, insbesondere unter Temperatureinwirkung. Eine Bildung von Mischverbindungen aus Nickel und Phosphor ist insbesondere von Vorteil, da somit der Phosphor in gebundener Form vorliegt, was die Prozesssicherheit erhöht. Neben den Mischphasen kann Nickel in elementarer Form abgeschieden werden und bindet sodann die Mischphasen.
Eine dieser vorteilhaft gebildeten Mischverbindungen hat einen Gehalt an Phosphor, bezogen auf die abgeschiedene Gesamtmasse an Nickel und Phosphor, von 1 bis 3 Masse%. Durch eine Kapsel mit dieser Zusammensetzung an Nickel und Phosphor wird ein besonders guter Schutz vor Hochtemperaturkorrosion erzielt.
Um die Prozesssicherheit bei gleichzeitiger Verbesserung der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit zu erhöhen, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass das Verfahren ferner vor dem heiß isostatischen Pressen eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 300 bis 450 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von 350 bis 400 °C, umfasst. Durch diese Wärmebehandlung kann vor dem eigentlichen HIP bereits eine Stabilisierung der Kapsel auf dem Bauteil erzielt werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Nickel und Phosphor als Kapselmaterial vorteilhaft, da durch die gezielte Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen stabile Mischphasen aus Nickel und Phosphor gebildet werden, wie insbesondere Ni3P. Der Phosphor wird hierdurch während des HIP aufgrund des angewendeten Drucks so stabilisiert, dass er in der festen Phase verbleibt.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise über einen Zeitraum von etwa ein bis zwei Stunden ausgeführt, was vorteilhaft in Bezug auf die Stabilisierung der Kapsel auf dem Bauteil ist und die Prozesskosten nicht wesentlich erhöht.
Um eine besonders gute Stabilisierung des Bauteils für den HIP-Prozess zu ermöglichen, wird eine Schichtdicke der Kapsel entsprechend ausgewählt. Hierbei kann die Schichtdicke der Kapsel auch mit dem Kapselmaterial variieren. Vorteilhaft wird die Kapsel mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere von 10 bis 100 pm und insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, gebildet. Niedrige Schichtdicken, durch die Material für die Kapsel eingespart werden kann, sind dann möglich, wenn sie gasdicht sind.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen eines Bauteils mit mindestens einer zur Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung offenbart. Die Kapsel ist durch chemisches Abscheiden gebildet. Dies bedeutet, dass insbesondere die Kapsel, also das Material der Kapsel, chemisch abgeschieden ist, wobei das Material der Kapsel zunächst auch in Vorläuferform vorliegen kann, die anschließend in die Endform, aus dem die Kapsel für das HIP final gebildet ist, umgewandelt wird. Durch das chemische Abscheiden der Kapsel kann auch in der Aussparung selbst Kapselmaterial abgeschieden werden. Hierdurch kann die Aussparung in ihrer Form, Dimensionierung und Gestalt effektiv stabilisiert werden. Die Kapsel ist an allen von außerhalb des Bauteils zugänglichen Oberflächen, und insbesondere in der Aussparung vorhanden und kann durch eine sehr einfache Prozessführung ausgebildet werden. Auch können durch die chemisch abgeschiedene Kapsel Risse, Einkerbungen und Unebenheiten im Bauteil abgedichtet, geschlossen bzw. ausgeglichen werden.
Bezüglich der Definitionen, Vorteile, vorteilhaften Effekte und Ausführungsformen wird ergänzend Bezug genommen auf die entsprechenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung. Vielmehr finden die Ausführungsformen wechselseitig Anwendung.
Vorteilhafterweise enthält die Kapsel Nickel und Phosphor oder Nickel und Bor. Durch einen Gehalt an Nickel kann die Kapsel besonders korrosionsstabil ausgebildet werden. Insbesondere zur Verbesserung der Hochtemperaturkorrosionsstabilität enthält die Kapsel Nickel und Phosphor bzw. Nickel und Bor, und liegt insbesondere in Form der Phasen Ni3P oder Ni3B vor, die sich durch eine gute chemische Stabilität auszeichnen. Neben den vorstehend genannten Mischphasen kann Nickel auch in elementarer Form vorliegen und bindet dann die Mischphasen. Der Phosphor ist dabei während des HIP aufgrund des angewendeten Drucks so stabilisiert, dass er in der festen Phase verbleibt.
Zur Verbesserung der Stabilität des Bauteils während eines HIP-Prozesses, und insbesondere zur Stabilisierung der Aussparung in dem Bauteil, weist die Kapsel eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere von 10 bis 100 pm und insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, auf.
Ferner erfindungsgemäß wird auch eine Bauteilanordnung beschrieben. Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung umfasst ein Bauteil mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung und eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen (HIP), wobei die Kapsel für das heiß isostatische Pressen des Bauteils auf den Oberflächen der Aussparung gebildet ist.
Das in der Bauteilanordnung enthaltene Bauteil ist im Einzelnen nicht beschränkt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bauteil um ein Stahlbauteil. Dabei kann das Bauteil durch gängige Verfahren hergestellt werden. Insbesondere ist das Bauteil ein durch ein generatives Verfahren, wie beispielsweise ein Spritzverfahren, und hierunter insbesondere ein Kaltgasspritzverfahren, hergestelltes Bauteil.
Das Bauteil weist mindestens eine Aussparung, also eine Kavität, einen Hohlraum, Kanal oder eine sonstige Ausnehmung auf, die teilweise im Inneren des Bauteils verläuft, jedoch mindestens eine Öffnung aufweist, die zu einer Oberfläche des Bauteils führt. Insbesondere handelt es sich bei der Aussparung um einen Kanal, der mindestens teilweise unterhalb der Oberfläche des Bauteils verläuft und an mindestens einer Oberfläche des Bauteils eine Öffnung, also einen Zugang, aufweist. Die Oberflächen der Aussparung weisen eine Kapsel für HIP auf. Erfindungsgemäß werden unter den Oberflächen der Aussparung diejenigen Begrenzungen bzw. Wandungen der Aussparung verstanden, die durch das Vorsehen der Aussparung in dem Bauteil gebildet sind, also diejenigen Flächen, die den durch die Aussparung gebildeten Freiraum umgeben. Mit anderen Worten umgibt die Kapsel zumindest den Freiraum und ist auf den den Freiraum umgebenden Flächen angeordnet. Dies ist insbesondere zur Reduktion von Kapsel material vorteilhaft und für den HIP Prozess ausreichen, insbesondere wenn das Bauteil gasdicht ist.
Wird die Bauteilanordnung einem HIP-Verfahren zugeführt, wird die Aussparung somit in Form, Gestalt und Dimensionierung vor einem Einsinken oder Einbrechen aufgrund des anzuwendenden Drucks und/oder der anzuwendenden Temperatur geschützt. Erfindungsgemäß kann also ein Bauteil mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung durch Anwendung eines HIP-Verfahrens bereitgestellt werden, das sich durch eine einfache Struktur und sehr gute Stabilität auszeichnet. Zudem werden durch das Vorsehen der Kapsel etwaige Risse, Einkerbungen oder sonstige Oberflächendefekte geschlossen und abgedichtet, so dass nach Anwendung eines HIP- Verfahrens ein Bauteil mit hoher qualitativer Güte erhalten werden kann.
Bezüglich der einzelnen Komponenten, der Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung wird ergänzend Bezug genommen auf die entsprechenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie der erfindungsgemäßen Kapsel für heiß isostatisches Pressen. Die erfindungsgemäße Kapsel ist ferner dazu geeignet, in der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung verwendet zu werden. Folglich finden auch die Ausführungsformen jeweils wechselseitig Anwendung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung sieht vor, dass die Kapsel auf allen von außerhalb des Bauteils zugänglichen Oberflächen des Bauteils gebildet ist. Somit kann das Bauteil während des HIP-Verfahrens von allen Seiten stabilisiert werden. Ferner können durch die Herstellung, den Transport oder die Lagerung in dem Bauteil vorhandene Risse, Einkerbungen oder anderweitige Oberflächendefekte geschlossen, begradigt und/oder abgedichtet werden.
Durch die weitere vorteilhafte Weiterbildung, in der die Kapsel durch chemisches Abscheiden gebildet ist, kann die Qualität des aus der Bauteilanordnung erhaltenen Bauteils gefördert werden. Zudem kann nicht nur die Aussparung sondern das gesamte Bauteil während eines anzuwendenden HIP-Verfahrens durch die Kapsel geschützt werden, so dass Form, Gestalt und Dimensionierung des Bauteils erhalten bleiben.
Insbesondere ist die Kapsel durch chemisches Abscheiden von Nickel und Phosphor oder von Nickel und Bor gebildet, da hierdurch die Korrosionsstabilität und bei einem chemischen Abscheiden von Nickel und Phosphor bzw. Nickel und Bor insbesondere die Hochtemperaturkorrosionsstabilität eines durch die Weiterverarbeitung der Bauteilanordnung erhaltenen Bauteils, verbessert wird.
Aufgrund der hohen Stabilität sowohl gegenüber anzuwendenden Temperaturen als auch gegenüber Korrosion, ist die Kapsel vorzugsweise aus Ni3P oder Ni3B gebildet. Daneben kann Nickel auch in elementarer Form vorliegen und bindet die vorstehend benannten Mischphasen.
Eine besonders gute Stabilität der Bauteilanordnung während eines anzuwendenden HIP- Verfahrens kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erzielt werden, in der die Kapsel eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere von 10 bis 100 pm und insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, aufweist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Kapsel für heiß isostatisches Pressen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Bauteilanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Im Detail zeigt Figur 1 Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer zu einer Oberfläche des Bauteils geöffneten Aussparung. Das Bauteil kann vorteilhafterweise als Stahlbauteil ausgeführt sein. Die Aussparung ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann als Ausnehmung, Hohlraum, Kanal oder jegliche anderweitige Kavität ausgebildet sein. Die Aussparung ist ein durch beispielsweise ein spanabhebendes Verfahren gebildeter Freiraum, also explizit keine im Material des Bauteils gebildete Pore. Ein Bauteil mit einer Aussparung kann auch durch ein generatives Verfahren, beispielsweise einen Spritzprozess, wie z.B. Kaltgasspritzen, hergestellt werden.
In Verfahrensschritt 100 wird eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen des Bauteils gebildet. Dies erfolgt durch chemisches Beschichten des Bauteils mit dem Kapselmaterial oder mit einem Vorläufer des Kapselmaterials, beispielsweise durch Tauchen des Bauteils in ein Tauchbad, das mit einer Beschichtungszusammensetzung gefüllt ist, die das sich später abscheidende Kapselmaterial oder dessen Vorläufer enthält. Alternativ kann die Kapsel auch durch Abscheiden des Kapselmaterials aus der Gasphase gebildet werden.
Weitere Verfahrensschritte, wie z.B. ein Trocknen der Beschichtungszusammensetzung, können sich anschließen.
Durch das chemische Beschichten des Bauteils werden nicht nur die das Bauteil umgebenden Oberflächen beschichtet, sondern insbesondere auch die Wandungen der Aussparung, also die im Inneren des Bauteils einen Freiraum umgebenden Flächen. Dies ist insbesondere durch die Ausführungsform möglich, in der das Bauteil in ein Tauchbad mit Beschichtungszusammensetzung getaucht wird. Alternativ können das Bauteil und die Aussparung auch mit einem gasförmigen oder flüssigen Kapselmaterial oder Kapselmaterialvorläufer umströmt bzw. durchströmt werden. Somit werden alle von außerhalb des Bauteils zugänglichen Oberflächen beschichtet.
In Verfahrensschritt 200 erfolgt eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 300 bis 450 °C. Hierdurch kann das Kapsel material sehr gut auf den Oberflächen des Bauteils anhaften. Dieser Verfahrensschritt ist insbesondere geeignet, wenn das Kapselmaterial Nickel und Phosphor umfasst, da auf diese Weise aus Nickel und Phosphor u.a. die stabile Phase Ni3P gebildet wird. Ein Freisetzen von Phosphor während des weiteren Verfahrensverlaufs wird durch Anwendung von Druck während des HIP somit effektiv verhindert.
In Verfahrensschritt 300 erfolgt ein heiß isostatisches Pressen (HIP) des Bauteils. HIP- Verfahren sowie entsprechend einzuhaltende Parameter sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass es hierzu keiner weiteren Erklärung bedarf. Die Parameter werden entsprechend der chemischen Natur des Bauteils und der Kapsel ausgewählt. Figur 2 zeigt eine Kapsel für heiß isostatisches Pressen 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zur besseren Veranschaulichung ist die Kapsel 1 zusammen mit einem Bauteil 2 gezeigt. Das Bauteil 2 weist eine Aussparung 3 auf, die in Form einer länglichen Vertiefung im Bauteil 2 gebildet ist und zu einer Oberfläche 4 des Bauteils 2 geöffnet ist.
Das Bauteil 2 ist insbesondere ein Stahlbauteil, das durch ein generatives Verfahren, wie z.B. ein Spritzverfahren, mit der Ausnehmung 3 gebildet wurde. Anschließend wurde die Kapsel 2 gebildet, und zwar durch chemisches Abscheiden des Materials der Kapsel 1. Bei dem Material der Kapsel 1 kann es sich bereits um die Endform der Kapsel 1 handeln, es kann aber auch ein Vorläufer des Materials der Kapsel 1 chemisch abgeschieden und anschließend in die Endform umgewandelt werden.
Die Kapsel 1 enthält vorzugsweise Nickel und Phosphor oder Nickel und Bor, um die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils 2 zu verbessern. Insbesondere ist die Kapsel 1 aus Ni3P oder Ni3B und ggf. daneben elementarem Nickel, gebildet, wodurch auch die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit verbessert wird.
Die Kapsel 1 ist auf der Oberfläche 4 des Bauteils 2 sowie auch auf den Oberflächen 5 der Aussparung 3 gebildet. Somit ist die Kapsel 1 auf allen von außerhalb des Bauteils 2 zugänglichen Oberflächen gebildet, so dass das Bauteil 2 während des Ausführens eines HIP-Verfahrens stabilisiert wird. Insbesondere wird die Aussparung 3 in ihrer Form, Gestalt und Dimensionierung so stabilisiert, dass ein Einsinken oder Eindrücken unter Beeinträchtigung der Aussparung 3 verhindert wird. Hierzu ist es von Vorteil, wenn eine Schichtdicke S der Kapsel 1 in einem Bereich von 1 bis 200 pm liegt. Die Schichtdicke S wird dabei senkrecht zur Applikationsfläche gemessen.
Figur 3 zeigt eine Bauteilanordnung 10, die ein Bauteil 2 und eine Kapsel 1 für heiß isostatisches Pressen umfasst. Das Bauteil 2 ist insbesondere ein durch ein generatives Verfahren hergestelltes Stahlbauteil. Das Bauteil 2 weist zwei Aussparungen 3 und 6 auf. Die Aussparung 3 weist zwei Öffnungen zu einer Oberfläche 4 des Bauteils 2 auf, so dass sich ein Kanal ergibt, der von zwei Seiten zugänglich ist, nämlich von den beiden Öffnungen zur Oberfläche 4 des Bauteils 2.
Die Aussparung 6 ist im Inneren des Bauteils 2 gebildet und weist ebenfalls mindestens eine zu einer Oberfläche des Bauteils 2 führende Öffnung auf.
Auf den jeweiligen Oberflächen 5 der Ausnehmungen 3 und 6 ist die Kapsel 1 für das heiß isostatische Pressen des Bauteils 2 gebildet. Unter den Oberflächen 5 der Ausnehmungen 3 und 6 werden die jeweiligen Wandungen des Bauteils 2 verstanden, die den Freiraum der Aussparungen 3, 6 umgeben. Die Kapsel 1 kann wie in Figur 2 dargestellt ausgebildet sein, insbesondere durch chemisches Abscheiden des Kapselmaterials, das insbesondere Nickel und Phosphor oder Nickel und Bor enthält.
In einem sich anschließenden HIP-Verfahren werden insbesondere die Aussparungen 3 und 6 vor einwirkendem Druck geschützt, so dass die Aussparungen 3, 6 in Form, Gestalt und
Dimensionierung erhalten bleiben.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Fig. 1 bis 3 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste
1 Kapsel für heiß isostatisches Pressen
2 Bauteil
3 Aussparung
4 Oberfläche des Bauteils
5 Oberfläche der Aussparung
6 Aussparung
10 Bauteilanordnung
100-300 Verfahrensschritte
S Schichtdicke der Kapsel

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2) mit mindestens einer zu einer Oberfläche (4) des Bauteils (2) geöffneten Aussparung (3, 6) umfassend die Schritte:
Bilden einer Kapsel (1) für heiß isostatisches Pressen des Bauteils (2) durch chemisches Beschichten des Bauteils (2) und
heiß isostatisch Pressen des Bauteils (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Kapsel (1) durch Abscheiden von Nickel und Phosphor oder von Nickel und Bor gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Gehalt an Phosphor, bezogen auf die abgeschiedene Gesamtmasse an Nickel und Phosphor 1 bis 3 Masse% beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend vor dem heiß isostatischen Pressen eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 300 bis 450 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von 350 bis 400 °C.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von etwa ein bis zwei Stunden ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapsel (1) mit einer Schichtdicke (S) in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 pm und insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, gebildet wird.
7. Kapsel (1) für heiß isostatisches Pressen eines Bauteils (2) mit mindestens einer zu einer Oberfläche (4) des Bauteils (2) geöffneten Aussparung (3, 6), wobei die Kapsel (1) chemisch abgeschieden ist.
8. Kapsel (1) nach Anspruch 7, wobei die Kapsel (1) Nickel und Phosphor oder Nickel und Bor enthält und insbesondere Ni3P oder Ni3B und daneben ggf. elementares Nickel enthält.
9. Kapsel (1) nach Anspruch 8, wobei die Kapsel (1) eine Schichtdicke (S) in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 pm und
insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, aufweist.
10. Bauteilanordnung (10) umfassend ein Bauteil (2) mit mindestens einer zu einer Oberfläche (4) des Bauteils (2) geöffneten Aussparung (3, 6) und eine Kapsel (1) für heiß isostatisches Pressen, wobei die Kapsel (1) für das heiß isostatische Pressen des Bauteils (2) auf den Oberflächen (5) der Aussparung (3, 6) gebildet ist.
11. Bauteilanordnung (10) nach Anspruch 10, wobei die Kapsel (1) auf allen von außerhalb des Bauteils zugänglichen Oberflächen (4) des Bauteils (2) gebildet ist.
12. Bauteilanordnung (10) nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Kapsel (1) durch chemisches Abscheiden, insbesondere durch chemisches Abscheiden von Nickel und Phosphor oder von Nickel und Bor gebildet ist.
13. Bauteilanordnung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Kapsel (1) aus Ni3P oder Ni3B und daneben ggf. aus elementarem Nickel gebildet ist.
14. Bauteilanordnung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Kapsel (1) eine Schichtdicke (S) in einem Bereich von 1 bis 200 pm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 pm und insbesondere in einem Bereich von 20 bis 50 pm, aufweist.
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