WO2020234295A1 - Manufacturing method comprising additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and thermal treatment - Google Patents

Manufacturing method comprising additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and thermal treatment Download PDF

Info

Publication number
WO2020234295A1
WO2020234295A1 PCT/EP2020/063966 EP2020063966W WO2020234295A1 WO 2020234295 A1 WO2020234295 A1 WO 2020234295A1 EP 2020063966 W EP2020063966 W EP 2020063966W WO 2020234295 A1 WO2020234295 A1 WO 2020234295A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
molded body
component
mold
shaped body
heat treatment
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/063966
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Olaf Rehme
Ralph Reiche
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2020234295A1 publication Critical patent/WO2020234295A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/1208Containers or coating used therefor
    • B22F3/1258Container manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/60Treatment of workpieces or articles after build-up
    • B22F10/64Treatment of workpieces or articles after build-up by thermal means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/14Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15Hot isostatic pressing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/009Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine components other than turbine blades
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02Plasma welding
    • B23K10/027Welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046Welding
    • B23K15/0086Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046Welding
    • B23K15/0093Welding characterised by the properties of the materials to be welded
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342Build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26Methods of annealing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005Selecting particular materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001Turbines
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2241/00Treatments in a special environment
    • C21D2241/01Treatments in a special environment under pressure
    • C21D2241/02Hot isostatic pressing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/20Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/22Manufacture essentially without removing material by sintering
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/30Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31Layer deposition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/40Heat treatment
    • F05D2230/41Hardening; Annealing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/40Heat treatment
    • F05D2230/42Heat treatment by hot isostatic pressing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/606Directionally-solidified crystalline structures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/608Microstructure
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the produc- tion of a component, comprising the additive production of a molded body for the component and the production of a mold around the molded body, as well as a subsequent heat treatment.
  • the component is preferably intended for use in a flow machine, preferably in the hot gas path of a gas turbine.
  • the component is preferably made of a superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • the alloy can be precipitation hardened, solid solution hardened, oxide dispersion hardened or hardenable accordingly.
  • Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path.
  • the metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved with regard to their strength at high temperatures (creep load, thermomechanical fatigue).
  • Additive manufacturing processes include, for example, powder bed fusion (PBF), selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).
  • Other additive processes are, for example, “Directed Energy Deposition (DED) "- processes, especially laser deposition welding, electron jet or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called “sheet lamination” processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
  • DED Directed Energy Deposition
  • a method for selective laser melting is known for example from EP 2 601 006 Bl.
  • additive manufacturing processes have furthermore proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example comprising labyrinth-like structures or cooling structures.
  • additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file and the selection of appropriate manufacturing parameters.
  • Metallic components that are manufactured using AM technologies inherently display a microstructure which, in terms of its structure and composition, is similar or similar to a material produced by welding.
  • the rapid solidification of the metal during remelting in powder bed-based processes results in materials whose properties are mainly dominated by the speed of solidification.
  • temperature gradients 10 5 K / s or even 10 6 K / s or more can occur.
  • the structures, structures and phases generated in this way are far removed from those of a corresponding chemical-physical state of equilibrium. This results in numerous anisotropies and inhomogeneities in the chemical or crystalline properties and mechanical technical parameters.
  • the properties or characteristic values mentioned can include, for example, the yield strength, the tensile strength, the elongation at break, the impact energy, the hardness, the strength or other aspects.
  • One aspect of the present invention relates to a method for producing a component, comprising the additive Her make a molded body or a preform for the component, preferably by means of, but not limited to, powder-bed-based methods (PBF) such as selective laser melting, selective laser sintering or the electron beam melting.
  • PPF powder-bed-based methods
  • the method further comprises the formation of risers and / or feeders in or on the molded body.
  • the term "riser” is preferably understood to mean a vent or a corresponding space or cavity in which the material of the molded body or the component - for example during subsequent remelting or heat treatment - expand or in which it extends can rise.
  • feeder is preferably understood to mean a material depot, from which material for the molded body or the component - for example during subsequent remelting or heat treatment - can be provided in order to prevent defects or pores from occurring due to shrinkage processes comes.
  • the method comprises the formation of risers or at least one riser.
  • the method comprises the formation of feeders or at least one feeder.
  • the method further comprises the production of a mold or a molded shell around the molded body, the mold being designed to keep the molded body dimensionally stable for a remelting or recrystallization process or a corresponding heat treatment.
  • the shell mold In the case of a remelting process, the shell mold must have a design that is suitable for shaping a liquid phase. In other cases, a training that ensures dimensional stability during, for example, subsequent heat treatment is sufficient.
  • the mold can be provided with cooling plates and insulation in accordance with the state of the art.
  • the mold is produced or provided in a manner similar to known casting or molding processes, in particular the lost wax process.
  • the shell mold can be applied to the molded body or encased it in a single operation or in several operations.
  • the shape can still be a green shape.
  • the molded body or the mold is fired during or after its manufacture or heat-treated accordingly. This firing or a heat treatment for this purpose should be clearly differentiated in the present case from a subsequent heat treatment which affects the shaped body.
  • the method further comprises the heat treatment of the molded body for the component in the mold, so that at least partially a structural change, in particular a recrystallization of the material of the molded body, a diffusion of certain structural components and / or a chemical or stoichiometric change is effected.
  • the shaped body is made from an alloy, only local or local melting can destroy the structure ("Incipient melting” describes grain boundary melting). This phenomenon cannot be remedied, for example, with a renewed heat treatment and / or hot isostatic pressing that a melting temperature of the material of the molded body is exceeded during the heat treatment, it may be necessary that cavities provided in the design of the component or molded body filled with a suitable material, for example a core, in order to keep these cavities free.
  • a suitable material for example a core
  • the structural transformation allows the material properties of additively manufactured structures to be advantageously cast-like structures. to adjust.
  • the properties mentioned are preferably matched to those of a thermodynamic or statistical equilibrium of the material of the shaped body.
  • Structural properties expediently allow a much higher load capacity, for example thermal and / or mechanical loading during operation of the component and the prevention of crack formation or propagation, structural defects and material creep.
  • load capacity for example thermal and / or mechanical loading during operation of the component and the prevention of crack formation or propagation, structural defects and material creep.
  • the method further comprises the subsequent removal of the mold and, if necessary, the removal of existing cores or core-like agents (see above).
  • the removal can advantageously take place by mechanical smashing or chemical leaching or etching. Accordingly, the shape can be a lost shape.
  • corresponding means for forming the risers or feeders can also be removed.
  • the component is already completed by the steps described.
  • the production of the component requires further steps, for example post-treatment steps, in order to complete it.
  • the shape is defined by the outer surfaces of the molded body.
  • the molded body is heat-treated at a temperature which is greater than a eutectic temperature or a solidus temperature, in particular the lowest, of the solidus temperature of the material of the molded body.
  • a temperature which is greater than a eutectic temperature or a solidus temperature, in particular the lowest, of the solidus temperature of the material of the molded body According to this embodiment of the method, as described, the necessary structural changes, especially comprehensive remelting and / or recrystallization processes, can be provoked or carried out. As indicated above, the involvement of a complete liquid melt is not necessarily required. Therefore, the method does not necessarily require a melting temperature of the material of the molded body to be reached, but - for example in the case of pure metals - only the eutectic temperature or solidus temperature.
  • a position becomes the riser
  • the present invention can also be used to produce single-crystal or directed rigid structures.
  • the component structure obtained by the present invention can be similar or identical to one obtained by a casting process, in particular special monocrystalline, directionally solidified or stalk crystalline structure.
  • these structures can be produced analogously to the so-called "Bridgeman process” and / or with the aid of the formation of a single-crystal solidification front and appropriate germ depots and grain selectors.
  • a design and / or a position of the risers or feeders on the molded body is calculated, simulated or optimized. This can be achieved, for example, by means of a corresponding computer program or computer program product or an algorithm contained therein or a corresponding simulation calculation. Without corresponding computer program resources or a corresponding computing capacity, a component geometry-dependent arrangement and training of the risers or feeders can possibly be too expensive.
  • the mentioned design of the risers and feeders can preferably mean their size, nature, composition and / or shape.
  • a computer program product such as a computer pro
  • gram means can for example be used as a storage medium, e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network are provided or included. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
  • a storage medium e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network are provided or included. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
  • a material or starting material for the molded body is selected in such a way that chemical and / or metallurgical material changes that occur during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component, for example in advance.
  • the choice of the material for the shaped body can also be made in a computer-implemented manner by means of an appropriately calculated or simulated alloy or composition.
  • the molded body is made from a first material.
  • the shaped body is made up of a steel or a refractory metal or an alloy comprising at least one of these materials.
  • the material of the shaped body can comprise another metal or another metallic alloy.
  • the molded body in particular its surface, is specifically provided with, preferably just a single nucleating agent and / or a shortage of nucleating agents during additive manufacturing from the first material, in order, for example, during the heat treatment to selectively or predeterminedly a nucleus for the formation of a specific kris
  • This can be done, for example, by physical or chemical conditioning, coating, structuring or processing of the component surface.
  • the heat-treated shaped body is post-treated, for example by a further heat treatment and / or hot isostatic pressing.
  • This post-treatment may be necessary in order to finish the component with sufficient structural quality, for example by curing cracks, defects or stresses in this way.
  • the additive manufacturing or construction of the molded body takes place by means of selective laser melting.
  • the manufacture or construction can be carried out by means of electron beam melting or other additive processes.
  • at least the production and removal of the mold are carried out analogously to a casting process, in particular a precision casting or lost wax process.
  • the component further comprises a cast-like microstructure, for example a columnar, columnar crystalline, directionally solidified or monocrystalline microstructure or crystal structure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and cavities.
  • a cast-like microstructure for example a columnar, columnar crystalline, directionally solidified or monocrystalline microstructure or crystal structure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and cavities.
  • this crystal or microstructure resembles, resembles or corresponds more to a thermodynamic or chemical state of equilibrium than is the case for them
  • the component is intended for use in the hot gas path of a gas turbine.
  • Another aspect of the present invention relates to a computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute the steps of selecting, simulating and / or providing the shaped body during additive manufacturing with nucleating agents or a defect to be carried out on nucleating agents.
  • Figure 1 indicates a schematic sectional view of an additive manufacturing plant
  • FIG. 2 shows a simplified flow diagram which indicates process steps of the present invention
  • FIG. 3 indicates, by way of example, a molded body produced or produced additively
  • FIG. 4 indicates that the molded body will be provided with a mold
  • FIG. 5 indicates a heat treatment of the shaped body
  • Figure 6 indicates the removal of the mold
  • Figure 7 shows an example of a specific embodiment of the
  • FIG. 8 shows an alternative view to FIG.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing system 100.
  • the system 100 is preferably a conventional system for building or manufacturing parts or components by means of a powder bed process (PBF).
  • PPF powder bed process
  • These processes include, for example, selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting.
  • the mentioned tech techniques use a powder bed made of a powder or base material, which is selectively and in layers with an energy beam 51, for example a laser beam, applied, melted and then solidified.
  • a corresponding beam source 50 can for example be provided by an electron source or a laser.
  • the first layer of the component or the body to be built is connected ("welded") to a substrate plate 1 as soon as it is energized.
  • the other layers are also materially connected to the respective underlying layers and in accordance with a predetermined geometry, which, for example, by a CAD file is specified.
  • a shaped body within the meaning of the present invention can, as described in more detail below, be additionally produced or made available via the production system 100.
  • the molded body can be built up using other, non-powder-bed-based methods, for example "Directed Energy Deposition (DED)" methods, in particular laser deposition welding.
  • DED Directed Energy Deposition
  • Further options for producing the molded body are electron beam or plasma powder welding, Wire welding, metallic powder injection molding, so-called “sheet lamination” processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
  • the substrate plate 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L, so that a new layer is applied can. This is done, for example, by means of a coating device 60.
  • a manufacturing surface H is accordingly preferably always at the same vertical height of the system 100.
  • the manufacturing surface H can be formed, for example, by fresh powder P or by areas of the component 10 that have already been partially melted.
  • the component is preferably a component which is used in the hot gas path of a turbomachine, for example a gas turbine.
  • the component can be a rotor or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, seal, a filter, a mouth or lance, a resonator, stamp o- denote a vortex, or a corresponding transition, use, or a corresponding retrofit part.
  • FIG. 2 uses the schematic flowchart to indicate process steps of the present invention.
  • the method relates to a method for producing a component such as that described above.
  • the method comprises, a) the additive production of a molded body 11 (as described above) for the component 10 from a powder bed P.
  • the method further comprises, b), the formation of risers 12 and / or feeders 13 in or on the molded body 11.
  • the method further comprises, c) the production of a mold 30 around the molded body 11, the mold 30 being designed to keep the molded body 11 dimensionally stable for a remelting or recrystallization process.
  • the method further comprises, d), the heat treatment of the molded body 11 for the component 10 in the mold 30, so that at least partially a structural change is caused.
  • the heat treatment is preferably carried out at a temperature T.
  • the method further comprises, e), the removal of the mold 30, for example by mechanical smashing, compare FIG. 6 below.
  • the method can include further method steps, for example finishing steps, such as, f), post-treatment or further heat treatment of the molded body 11 that has already been heat-treated and / or hot isostatic pressing.
  • finishing steps such as, f
  • further heat treatment of the molded body 11 that has already been heat-treated and / or hot isostatic pressing.
  • the described method can also include quality assurance or quality control and, for example, be optically measured.
  • a non-destructive material test, metallographic analysis, hardness measurement and determination of the mechanical and technical characteristics of the component can be determined, evaluated and used to optimize the process.
  • the present invention also relates to a computer program or computer program product (cf. reference CPP in FIG. 2), which is particularly set up to execute at least some of the process steps described in FIG. 2 completely or partially by computer program means.
  • a computer program or computer program product cf. reference CPP in FIG. 2
  • the additive manufacture of the molded body 11, preferably the geometry and irradiation strategy of the molded body, and the formation of the risers and / or feeders or a corresponding arrangement of these elements in or on the molded body 11 can be carried out using the computer program (computer program product).
  • Parts of the described process sequence can be similar or analogous to a conventional tional investment casting process, for example a wax melt process, be formed.
  • FIG. 3 shows a shaped body 11 constructed, for example as described above.
  • the shaped body has a cavity, a cavity or a channel 20.
  • the molded body can be a fluid-cooled turbine blade or a turbine blade that can be cooled accordingly by means of a fluid.
  • the molded body also has an outer surface 14.
  • the molded body 11 can be specifically provided with a nucleator or nucleus K during its additive production, for example during a subsequent heat treatment for remelting in order to adjust the structure, or to change the structure of the molded body (see Figure 4 further below) to provide or provoke a crystallization or a grain growth corresponding to a certain phase and / or orientation.
  • a subsequent heat treatment can also be used to heal any defects.
  • the molded body 11 can already be built up during the additive production in such a way that, for example, a lack of nuclei or nucleating agents occurs and a customary or expected crystallization, crystal orientation and / or phase is suppressed.
  • FIG. 3 also shows, by way of example, that - analogously to the Bridgeman method - a spiral grain or single crystal selector GS can already be provided by means of the additive production of the molded body 11. It is to be expected that with the additive build-up of a structure, a polycrystalline structure is initially formed, the grains or crystal orientations of which can then be sorted out, at least for the most part, preferably via the grain selector GS.
  • the grain selector GS is structurally preferably above A "reducing section" is connected to the actual molded body 11.
  • the above-described nucleus K is indicated by way of example, which preferably serves to form a single or columnar crystalline structure of the component.
  • a position of a nucleus or nucleator or a precise configuration of the described grain selector GS can also be computer-implemented or at least partially calculated, optimized or carried out by means of a computer program or a corresponding product.
  • FIG. 4 shows that first risers 12 and / or feeders 13 were formed on the molded body 11. This is expediently carried out on the surface 14 of the shaped body 11, but can also take place partially within the shaped body 11.
  • a position of the riser 12 and / or feeder 13 and the molded body 11 is chosen so that essentially no pores or cavities are formed during the heat treatment and any impurities or slag are displaced during the melting process.
  • a training and / or a position of the risers and / or feeders on the molded body 11 is simulated.
  • complicated calculations for the geometry of the risers or ventilation ducts or their position can be carried out appropriately and tailored to the component size, their material and the area of application.
  • the same applies to the training or arrangement of the feeders.
  • Corresponding manual invoices would be inefficient, if not impossible, or would lead to inadequate results.
  • a mold 30 has been built up around the molded body 11, and this shape is accordingly defined by outer surfaces 14 of the molded body 11. is ned.
  • the mold 30 can be created in a single work step or in a plurality of work steps, for example by sanding or spraying.
  • the molding material of the mold 30 can be liquid or solid and comprise, for example, clay, ceramic, slip, quartz sand, zircon sand, synthetic binders and other materials.
  • the shape 30 may furthermore be a green shape.
  • the mold 30 should in any case be designed to keep the molded body dimensionally stable for a remelting or recrystallization process (see below).
  • the shape can include cooling plates, insulation or mechanical reinforcements.
  • the curved arrow to the right of FIG. 4 and the reference symbols T> T e are intended to illustrate that after the risers 12 and / or feeders 13 have been optionally attached, the molded body 11 is heat treated at a temperature T in the mold 30 that is higher than a eutectic temperature.
  • the heat treatment is preferably carried out or the temperature T selected such that a structural change, for example a recrystallization, a chemical change, a diffusion of structural components defining the strength or a remelting is effected at least in part.
  • a melting point of the corresponding phase or of the material of the molded body 11 does not necessarily have to be exceeded. Rather, the temperature T is preferably selected to be greater than a eutectic temperature T e or a lowest solidus temperature of a material of the molded body 11.
  • a material for or for the molded body 11 is preferably selected in such a way that chemical and / or metallurgical material changes that arise during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component 10.
  • the choice of this material can also be made supported by a computer program product or a corresponding calculation or simulation.
  • the shaped body 11 is constructed from a steel or a refractory metal or an alloy comprising a steel and / or a refractory metal.
  • Figure 5 preferably shows the component 10 after its heat treatment.
  • the double hatching of the component indicates a modified structure or a correspondingly modified or remelted structure with advantageously modified material properties, for example a significantly increased hardness, hot crack resistance, creep resistance or other properties, in contrast to the molded body 11.
  • a correspondingly improved structure or structure can be determined by common methods of specific element, structure or material analysis, for example by X-ray fluorescence analysis or other destructive or non-destructive investigations.
  • the component As indicated in FIG. 6, has been freed from its shape 30, for example by being smashed, and possibly completed by further heat treatment or post-processing steps such as hot isostatic pressing, it preferably comprises (in contrast to the additive structure) a Cast-like microstructure, for example a directionally solidified or monocrystalline microstructure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and voids.
  • a Cast-like microstructure for example a directionally solidified or monocrystalline microstructure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and voids.
  • FIG. 7 shows a heat sink 11, the function of which is essentially to heat itself up during operation to cool a further component.
  • the additively built-up heat sink 11 preferably has funnel-shaped inlet openings 20. These openings or channels can be via a not explicitly marked ring channel, which can surround the rotationally symmetrical component during operation, flowed against while the heat sink 11 rotates about its rotational axis.
  • the inlet openings can open into screw-like or helix-like cooling channels, the task of which is to give off the heat from the component to a fluid that flows through it
  • a plurality of stores 12 are shown by way of example, which e.g. are regularly arranged on a surface 14 of the heat sink 11 to, during the heat treatment, to fulfill their purpose.
  • a single riser 12 is arranged in a similarly simplified manner centrally on the molded body in the vicinity of the axis of rotation. Accordingly, it can be provided within the scope of the present invention that the number of feeders 13 exceeds the number of risers 12. As a result, the material depots can be finely distributed over the surface 14 of the cooling body 11 and thus lead to a material supply that is as homogeneous as possible, where, however, only a central point is sufficient as a riser.
  • the cooling channels 20 shown in FIGS. 7 and 8 may have to be filled with a material core (see reference number 15) during the heat treatment in order to define cavities provided in the design, since the cavities could otherwise be filled or displaced with molded body material and / or the component could lose its dimensional stability and / or function. This can occur in particular if the melting temperature of the material of the shaped body is exceeded during the heat treatment.
  • FIG. 8 is a representation similar to FIG. 7, but the heat sink 11 is rotated and shown in perspective. It can be seen that the channels 20 have outlets (not explicitly identified by reference characters) on the lower side of the component. It can also be seen that feeders 13 are also arranged on a surface of the heat sink 11, and that the molded body 11 or the component 10 is configured in an annular manner.

Abstract

The invention relates to a method for producing a component (10), which method comprises: a) the additive manufacturing of a shaped body (11) for the component (10), in particular from a powder bed (P); b) the forming of risers (12) and/or feeders (13) on the shaped body (11); c) the manufacturing of a mold (30) around the shaped body (11), the mold (30) being designed to keep the shaped body (11) dimensionally stable for a remelting or recrystallization process; d) thermal treatment (T) of the shaped body (11) for the component (10) in the mold (30) such that a microstructure change is at least partially brought about, and e) the removal of the mold (30). The invention further relates to a correspondingly manufactured component and to a computer program product.

Description

Beschreibung description
Herstellungsverfahren mit additivem Herstellen eines Formkör pers, Herstellung einer Form und Wärmebehandlung Manufacturing process with additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and heat treatment
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines Bauteils, umfassend das additive Herstellen eines Formkörpers für das Bauteil und das Herstellen einer Form um den Formkörper herum, sowie eine anschließende Wärmebehand lung . The present invention relates to a method for the produc- tion of a component, comprising the additive production of a molded body for the component and the production of a mold around the molded body, as well as a subsequent heat treatment.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Super legierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung. Die Legierung kann ausscheidungsgehärtet, mischkristallgehärtet, oxiddispersionsgehärtet oder entspre chend härtbar sein. The component is preferably intended for use in a flow machine, preferably in the hot gas path of a gas turbine. The component is preferably made of a superalloy, in particular a nickel- or cobalt-based superalloy. The alloy can be precipitation hardened, solid solution hardened, oxide dispersion hardened or hardenable accordingly.
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert. Modern gas turbines are subject to constant improvement in order to increase their efficiency. However, this leads, among other things, to ever higher temperatures in the hot gas path. The metallic materials for rotor blades, especially in the first stages, are constantly being improved with regard to their strength at high temperatures (creep load, thermomechanical fatigue).
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres Formgebungspotenzials zunehmend interessant auch für die Se rienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten . Due to its shaping potential, generative or additive manufacturing is becoming increasingly interesting for the series production of the above-mentioned turbine components, such as turbine blades or burner components.
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren (englisch: PBF „powder-bed-fusion" ) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) . Weitere additive Verfah ren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "- Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronen- strahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metal lischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"- Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS) . Additive manufacturing processes include, for example, powder bed fusion (PBF), selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM). Other additive processes are, for example, “Directed Energy Deposition (DED) "- processes, especially laser deposition welding, electron jet or plasma powder welding, wire welding, metallic powder injection molding, so-called "sheet lamination" processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2 601 006 Bl. A method for selective laser melting is known for example from EP 2 601 006 Bl.
Additive Fertigungsverfahren (AM englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise umfassend labyrinthartige Strukturen oder Kühlstrukturen, er wiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weit gehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann. Additive manufacturing processes (AM English: "additive manufacturing") have furthermore proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example comprising labyrinth-like structures or cooling structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can largely take place on the basis of a corresponding CAD file and the selection of appropriate manufacturing parameters.
Metallische Bauteile, die mittels AM-Technologien hergestellt werden, zeigen verfahrensinhärent eine Gefügestruktur, die in ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung einem schweißtechnisch erzeugten Werkstoff ähnelt oder gleicht. Durch die schnelle Erstarrung des Metalls beim Umschmelzen bei pulverbett basierten Prozessen entstehen Werkstoffe, deren Eigenschaften im Wesentlichen durch die Geschwindigkeit bei der Erstarrung dominiert werden. Abhängig beispielsweise von der Raster oder Scangeschwindigkeit und dem Strahldurchmesser können da bei Temperaturgradienten von 105 K/s oder sogar 106 K/s oder mehr auftreten. Die hierbei erzeugten Strukturen, Gefüge und Phasen sind weit von denjenigen eines jeweils entsprechenden chemischen-physikalischen Gleichgewichtszustandes entfernt. Daraus ergeben sich zahlreiche Anisotropien und Inhomogenitä ten in den chemischen oder kristallinen Eigenschaften und me chanisch technischen Kennwerten. Vergleiche zeigen, dass Werkstoffeigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen zum Teil weit hinter den Eigenschaften von gusstechnisch herge stellten Bauteilen Zurückbleiben, was einen entscheidenden Nachteil bzw. eine entscheidende Anwendungsbeschränkung von AM-Bauteilen betrifft. Einhergehend mit den beschriebenen nachteiligen Eigenschaften tritt für manche Werkstoffe das aus der Schweißtechnik bekannte Problem der Heißrissanfällig keit auf, welches ebenfalls durch die hohen thermischen Gra dienten während des M-Prozesses hervorgerufen wird. Metallic components that are manufactured using AM technologies inherently display a microstructure which, in terms of its structure and composition, is similar or similar to a material produced by welding. The rapid solidification of the metal during remelting in powder bed-based processes results in materials whose properties are mainly dominated by the speed of solidification. Depending, for example, on the raster or scanning speed and the beam diameter, temperature gradients of 10 5 K / s or even 10 6 K / s or more can occur. The structures, structures and phases generated in this way are far removed from those of a corresponding chemical-physical state of equilibrium. This results in numerous anisotropies and inhomogeneities in the chemical or crystalline properties and mechanical technical parameters. Comparisons show that the material properties of additively manufactured components sometimes lag far behind the properties of components manufactured using casting technology, which is a decisive disadvantage and / or a decisive limitation of the use of AM components. Along with the described disadvantageous properties occurs for some materials, the known from welding technology problem of hot crack susceptibility, which is also caused by the high thermal Gra served during the M-process.
Um die genannten Probleme zu lösen, wird bereits versucht, die Werkstoffeigenschaften der Bauteile mittels (thermischer) Nachbehandlungen zu verbessern. Die genannten Eigenschaften oder Kennwerte können beispielsweise die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung, die Kerbschlagarbeit, die Härte, die Festigkeit oder weitere Aspekte umfassen. In order to solve the problems mentioned, attempts are already being made to improve the material properties of the components by means of (thermal) post-treatments. The properties or characteristic values mentioned can include, for example, the yield strength, the tensile strength, the elongation at break, the impact energy, the hardness, the strength or other aspects.
Mit Wärmenachbehandlungen können Gefüge oder Strukturen, wie zum Beispiel Korngrößen und Ausscheidungen hervorgerufen, be einflusst und/oder optimiert werden. Damit lassen sich auch Verbesserungen beispielsweise der Kriechfestigkeit und der Dehnungswechselfestigkeit erreichen. Bei diesen thermischen Nachbehandlungen wird im Wesentlichen die Fähigkeit des je weiligen Werkstoffs ausgenutzt, seine Beschaffenheit durch Diffusionsprozesse so zu verändern, dass sich dessen Gefüge oder Beschaffenheit den jeweiligen Gleichgewichtszuständen annähert. Die Möglichkeiten dieser thermischen Verfahren en den jedoch spätestens mit Erreichen der niedrigsten eutekti schen Temperatur oder Solidustemperatur des jeweiligen Mate rials, insbesondere der betreffenden Phase oder Zusammenset zung. Beim Erreichen beziehungsweise Überschreiten dieser Temperatur wird der feste Werkstoff irreversibel durch loka les Anschmelzen geschädigt und/oder verliert seine Form. In der Praxis wird diese Grenze, beispielsweise bei Stählen, be reits bei ca. 80 % der jeweiligen Schmelztemperatur erreicht, da in diesem Bereich viele Werkstoffe ihre Festigkeiten so weit abgebaut haben, dass ihre Formstabilität verloren geht. With post-heat treatments, structures or structures, such as grain sizes and precipitations, can be created, influenced and / or optimized. In this way, improvements can also be achieved, for example in creep resistance and fatigue strength. With these thermal aftertreatments, the ability of the respective material is essentially used to change its composition through diffusion processes in such a way that its structure or composition approaches the respective states of equilibrium. However, the possibilities of these thermal processes end at the latest when the lowest eutectic temperature or solidus temperature of the respective material, in particular the phase or composition concerned, is reached. When this temperature is reached or exceeded, the solid material is irreversibly damaged by local melting and / or loses its shape. In practice, this limit is already reached at around 80% of the respective melting temperature, for example with steels, since in this area many materials have degraded their strength to such an extent that their dimensional stability is lost.
Schweißartige Gefügestrukturen lassen sich unter wirtschaft lichen Gesichtspunkten nicht ohne Überschreiten der Solidus temperatur aufbauen. Ursache dieser Einschränkung ist, dass die für das Erreichen und Gleichgewicht notwendigen Diffusi onswege und Diffusionszeiten zu lang für einen wirtschaftli- chen oder effizienten Herstellungsprozess sind. Daher errei chen mit additiven Technologien erzeugte Bauteile kaum die technisch geforderten mechanischen und/oder strukturellen Kennwerte . From an economic point of view, weld-like microstructures cannot be built up without exceeding the solidus temperature. The reason for this restriction is that the diffusion paths and diffusion times necessary for achieving and equilibrium are too long for an economic or efficient manufacturing process. For this reason, components produced with additive technologies hardly achieve the technically required mechanical and / or structural parameters.
Gemäß dem Stand der Technik werden daher viele hoch bean spruchte Bauteile gusstechnisch hergestellt. Die Eigenschaf ten gusstechnisch hergestellter Bauteile sind gegenüber schweißtechnisch erzeugten Bauteilen günstiger, weil die che mische Zusammensetzung, die sich bei der Gusserstarrung ein stellt, näher am jeweiligen Gleichgewichtszustand der ent sprechenden Legierung oder Phasen liegt. According to the state of the art, many highly stressed components are therefore manufactured by casting. The properties of components produced by casting are more favorable compared to components produced by welding, because the chemical composition that is established during cast solidification is closer to the respective state of equilibrium of the corresponding alloy or phase.
Es besteht daher ein Bedarf, Formgebungsvorteile oder Gestal tungsfreiheitsgrade der additiven Fertigung oder Herstel lungstechnologie mit den günstigeren Werkstoffeigenschaften der Gusstechnik, beispielsweise Feinguss, zu kombinieren. There is therefore a need to combine the design advantages or degrees of freedom of additive manufacturing or manufacturing technology with the more favorable material properties of casting technology, for example investment casting.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die beschriebenen Aufgaben oder Probleme lö sen . It is therefore an object of the present invention to provide means which solve the objects or problems described.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche. This problem is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend das additive Her stellen eines Formkörpers oder einer Vorform für das Bauteil, vorzugsweise mittels, aber nicht beschränkt auf, pulverbett basierte Verfahren (PBF) wie dem selektiven Laserschmelzen, dem selektiven Lasersintern oder dem Elektronenstrahlschmel zen . One aspect of the present invention relates to a method for producing a component, comprising the additive Her make a molded body or a preform for the component, preferably by means of, but not limited to, powder-bed-based methods (PBF) such as selective laser melting, selective laser sintering or the electron beam melting.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden von Steigern und/oder Speisern in oder an dem Formkörper. Unter dem Ausdruck „Steiger" wird vorzugsweise eine Entlüf tung, oder ein entsprechender Raum oder Hohlraum verstanden, in welchem sich das Material des Formkörpers bzw. des Bau teils - beispielsweise während eines nachträglichen Umschmel- zens oder Wärmebehandelns - ausdehnen bzw. in welchem es auf steigen kann. The method further comprises the formation of risers and / or feeders in or on the molded body. The term "riser" is preferably understood to mean a vent or a corresponding space or cavity in which the material of the molded body or the component - for example during subsequent remelting or heat treatment - expand or in which it extends can rise.
Unter dem Ausdruck „Speiser" wird vorzugsweise ein Material depot verstanden, aus welchem Material für den Formkörper bzw. das Bauteil - beispielsweise während eines nachträgli chen Umschmelzens oder Wärmebehandelns - bereitgestellt wer den kann, um zu verhindern, dass es zu Defekten oder Poren durch Schrumpfprozesse kommt. The term "feeder" is preferably understood to mean a material depot, from which material for the molded body or the component - for example during subsequent remelting or heat treatment - can be provided in order to prevent defects or pores from occurring due to shrinkage processes comes.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Steigern oder mindestens einem Steiger. In one embodiment, the method comprises the formation of risers or at least one riser.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausbilden von Speisern oder mindestens einem Speiser. In one embodiment, the method comprises the formation of feeders or at least one feeder.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Herstellen einer Form bzw. einer Formschale um den Formkörper herum, wobei die Form ausgebildet ist, den Formkörper für einen Umschmelz- oder Re kristallisationsprozess oder eine entsprechende Wärmebehand lung formstabil zu halten. Im Falle eines Umschmelzprozesses muss die Formschale eine Ausbildung aufweisen, die für die Formgebung einer flüssigen Phase geeignet ist. In anderen Fällen reicht eine Ausbildung, die die Formstabilität während einer, beispielsweise nachträglichen, Wärmebehandlung gewähr leistet. Zusätzlich kann die Form entsprechend dem Stand der Technik mit Kühlplatten und Isolierungen versehen werden. The method further comprises the production of a mold or a molded shell around the molded body, the mold being designed to keep the molded body dimensionally stable for a remelting or recrystallization process or a corresponding heat treatment. In the case of a remelting process, the shell mold must have a design that is suitable for shaping a liquid phase. In other cases, a training that ensures dimensional stability during, for example, subsequent heat treatment is sufficient. In addition, the mold can be provided with cooling plates and insulation in accordance with the state of the art.
In einer Ausgestaltung wird die Form ähnlich zu bekannten Guss- oder Formverfahren, insbesondere dem Wachsausschmelz verfahren, her- oder bereitgestellt. Folglich kann die Form schale in einem einzigen oder in mehreren Arbeitsgängen auf den Formkörper aufgetragen werden oder diesen ummanteln. Die Form kann weiterhin eine Grünform sein. In einer Ausgestaltung wird der Formkörper oder die Form wäh rend oder nach ihrer Herstellung gebrannt oder entsprechend wärmebehandelt. Dieses Brennen bzw. eine Wärmebehandlung zu diesem Zweck soll vorliegend klar von einer nachträglichen Wärmebehandlung, welche den Formkörper betrifft, unterschie den werden. In one embodiment, the mold is produced or provided in a manner similar to known casting or molding processes, in particular the lost wax process. As a result, the shell mold can be applied to the molded body or encased it in a single operation or in several operations. The shape can still be a green shape. In one embodiment, the molded body or the mold is fired during or after its manufacture or heat-treated accordingly. This firing or a heat treatment for this purpose should be clearly differentiated in the present case from a subsequent heat treatment which affects the shaped body.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Wärmebehandeln des Form körpers für das Bauteil in der Form, sodass zumindest teil weise eine Gefügeveränderung, insbesondere eine Rekristalli sation des Materials des Formkörpers, eine Diffusion bestimm ter Gefügebestandteile und/oder eine chemische oder stöchio metrische Veränderung, bewirkt wird. The method further comprises the heat treatment of the molded body for the component in the mold, so that at least partially a structural change, in particular a recrystallization of the material of the molded body, a diffusion of certain structural components and / or a chemical or stoichiometric change is effected.
Im Falle eines elementar metallischen bzw. nicht aus einer Legierung bestehenden Formkörpers, kann dieser für die be schriebene Gefügeveränderung sowohl einfach umgeschmolzen als auch lediglich lokal angeschmolzen werden. Im Falle lokalen Anschmelzens kann nach der oben beschriebenen Wärmebehand lung, insbesondere nach der Herstellung des Bauteils, eine weitere Wärmebehandlung (siehe unten) angewendet werden, um etwaige Strukturdefekte und/oder Porosität wieder zu heilen. In the case of an elementary metallic or not made of an alloy molded body, this can be both simply remelted and only locally melted for the structural change be written. In the case of local melting, a further heat treatment (see below) can be used after the heat treatment described above, in particular after the component has been manufactured, in order to heal any structural defects and / or porosity again.
Falls der Formkörper aus einer Legierung hergestellt wird, kann lediglich örtliches oder lokales Anschmelzen das Gefüge zerstören („Incipient melting" beschreibt Korngrenzenschmel zen) . Dieses Phänomen kann beispielsweise nicht mit einer er neuten Wärmebehandlung und/oder heißisostatischem Pressen be hoben werden. Für den Fall, dass eine Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers während der Wärmebehandlung über schritten wird, kann es erforderlich sein, dass im Design des Bauteils bzw. Formkörpers vorgesehene Hohlräume mit einem ge eigneten Material, beispielsweise einem Kern, ausgefüllt wer den, um diese Hohlräume freizuhalten. If the shaped body is made from an alloy, only local or local melting can destroy the structure ("Incipient melting" describes grain boundary melting). This phenomenon cannot be remedied, for example, with a renewed heat treatment and / or hot isostatic pressing that a melting temperature of the material of the molded body is exceeded during the heat treatment, it may be necessary that cavities provided in the design of the component or molded body filled with a suitable material, for example a core, in order to keep these cavities free.
Die Gefügeumwandlung erlaubt es, die Materialeigenschaften additiv gefertigter Strukturen vorteilhaft gussartigen Gefü- gen anzugleichen. Dabei werden die genannten Eigenschaften vorzugsweise denjenigen eines thermodynamischen oder statis tischen Gleichgewichts des Materials des Formkörpers angegli chen . The structural transformation allows the material properties of additively manufactured structures to be advantageously cast-like structures. to adjust. The properties mentioned are preferably matched to those of a thermodynamic or statistical equilibrium of the material of the shaped body.
Obwohl der rein additive Fertigungsprozess mit der vorliegen den Erfindung durch das Herstellen der Form verkompliziert wird, ergeben sich dennoch entscheidende Vorteile für das be schriebene Verfahren sowie des damit herzustellenden Bau teils. Although the purely additive manufacturing process with the present invention is complicated by the production of the mold, there are still decisive advantages for the method described and the part to be produced with it.
Gleichzeitig können jedoch durch die beschriebene Erfindung die Materialeigenschaften für mittels AM hergestellter Bau teile entscheidend verbessert werden und insbesondere die vorteilhaften Eigenschaften eines Gussgefüges emuliert wer den. Diese verbesserten oder günstigeren Material- oder At the same time, however, the material properties for components produced by means of AM can be decisively improved by the described invention and, in particular, the advantageous properties of a cast structure are emulated. These improved or cheaper material or
Struktureigenschaften erlauben zweckmäßigerweise eine weit höhere Belastbarkeit, beispielsweise thermische und/oder me chanische Belastung während des Betriebs des Bauteils und das Verhindern von Rissentstehung oder -propagation, von Struk turdefekten und Materialkriechen. In Summe können also die Vorteile beider Fertigungsansätze durch die vorliegende Er findung umgesetzt werden. Structural properties expediently allow a much higher load capacity, for example thermal and / or mechanical loading during operation of the component and the prevention of crack formation or propagation, structural defects and material creep. In total, the advantages of both manufacturing approaches can be implemented by the present invention.
Das Verfahren umfasst weiterhin das nachträgliche Entfernen der Form und gegebenenfalls das Entfernen vorhandener Kerne bzw. kernähnlicher Mittel (siehe oben) . Das Entfernen kann vorteilhaft durch mechanisches Zerschlagen oder chemisches Auslaugen bzw. Ätzen erfolgen. Demgemäß kann die Form eine verlorene Form sein. Einhergehend mit dem Entfernen der Form können beispielsweise auch entsprechende Mittel zum Ausbilden der Steiger bzw. Speiser entfernt werden. The method further comprises the subsequent removal of the mold and, if necessary, the removal of existing cores or core-like agents (see above). The removal can advantageously take place by mechanical smashing or chemical leaching or etching. Accordingly, the shape can be a lost shape. Along with the removal of the mold, for example, corresponding means for forming the risers or feeders can also be removed.
In einer Ausgestaltung wird das Bauteil durch die beschriebe nen Schritte bereits fertiggestellt. In einer alternativen Ausgestaltung erfordert die Herstellung des Bauteils weitere Schritte, beispielsweise Nachbehand lungsschritte, um dieses fertig zu stellen. In one embodiment, the component is already completed by the steps described. In an alternative embodiment, the production of the component requires further steps, for example post-treatment steps, in order to complete it.
In einer Ausgestaltung wird die Form durch Außenoberflächen des Formkörpers definiert. In one embodiment, the shape is defined by the outer surfaces of the molded body.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Wärmebehandeln des Form körpers bei einer Temperatur, welche größer ist als eine eu tektische Temperatur bzw. eine, insbesondere niedrigste, So lidustemperatur des Materials des Formkörpers. Gemäß dieser Ausgestaltung des Verfahrens können, wie beschrieben, vor zugsweise gerade die erforderlichen Gefügeveränderungen, ins besondere umfassend Umschmelz- und/oder Rekristallisations prozesse provoziert oder durchgeführt werden. Wie oben ange deutet, ist dabei die Beteiligung einer vollständigen flüssi gen Schmelze nicht notwendigerweise erforderlich. Daher er fordert das Verfahren auch nicht notwendigerweise das Errei chen einer Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers, sondern - beispielsweise im Falle von reinen Metallen - le diglich der eutektischen Temperatur bzw. Solidustemperatur . In one embodiment, the molded body is heat-treated at a temperature which is greater than a eutectic temperature or a solidus temperature, in particular the lowest, of the solidus temperature of the material of the molded body. According to this embodiment of the method, as described, the necessary structural changes, especially comprehensive remelting and / or recrystallization processes, can be provoked or carried out. As indicated above, the involvement of a complete liquid melt is not necessarily required. Therefore, the method does not necessarily require a melting temperature of the material of the molded body to be reached, but - for example in the case of pure metals - only the eutectic temperature or solidus temperature.
Einem Fachmann ist bekannt, dass ein Überschreiten der Soli dustemperatur noch nicht notwendigerweise zum vollständigen Schmelzen des Bauteils führt, sondern beispielsweise ledig lich zum Verlust seiner Festigkeit oder Formfestigkeit. A person skilled in the art is aware that exceeding the solids temperature does not necessarily lead to complete melting of the component, but only, for example, to a loss of its strength or dimensional stability.
In einer Ausgestaltung wird eine Position der Steiger In one embodiment, a position becomes the riser
und/oder Speiser und des Formkörpers so gewählt, dass sich bei der Wärmebehandlung des Formkörpers im Wesentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und/oder etwaige Verunreinigungen oder Schlacken beim Schmelzprozess, insbesondere in einen Steiger verdrängt werden. Durch geeignete Maßnahmen, wie sie zum Stand der Gusstechnik bekannt sind, können durch die vor liegende Erfindung auch einkristalline bzw. gerichtet er starrte Gefüge hergestellt werden. Demgemäß kann die durch die vorliegende Erfindung erhaltene Bauteilstruktur ähnlich oder gleich einer durch einen Gussprozess erhaltenen, insbe- sondere einkristallinen, gerichtet erstarrten oder stängel kristallinen, Struktur sein. Beispielsweise können diese Ge füge analog zu dem sogenannten „Bridgeman-Verfahren" und oder mithilfe der Ausbildung einer einkristallinen Erstarrungs front und zweckmäßigen Keimdepots und Kornselektoren herge stellt werden. and / or feeder and the shaped body are selected such that essentially no pores or voids form during the heat treatment of the shaped body and / or any impurities or slags are displaced during the melting process, in particular into a riser. By means of suitable measures, such as are known from the prior art of casting, the present invention can also be used to produce single-crystal or directed rigid structures. Accordingly, the component structure obtained by the present invention can be similar or identical to one obtained by a casting process, in particular special monocrystalline, directionally solidified or stalk crystalline structure. For example, these structures can be produced analogously to the so-called "Bridgeman process" and / or with the aid of the formation of a single-crystal solidification front and appropriate germ depots and grain selectors.
In einer Ausgestaltung wird eine Ausbildung und/oder eine Po sition der Steiger bzw. Speiser an dem Formkörper berechnet, simuliert oder optimiert. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt oder einen darin enthaltenen Algorithmus oder eine entspre chende Simulationsrechnung erreicht werden. Ohne entsprechen de Computerprogrammmittel oder eine entsprechende Rechenkapa zität kann eine bauteilgeometrieabhängige Anordnung und Aus bildung der Steiger bzw. Speiser möglicherweise zu aufwendig sein. Mit der genannten Ausbildung der Steiger und Speiser (siehe oben) kann vorzugsweise deren Größe, Beschaffenheit, Zusammensetzung und/oder Form gemeint sein. In one embodiment, a design and / or a position of the risers or feeders on the molded body is calculated, simulated or optimized. This can be achieved, for example, by means of a corresponding computer program or computer program product or an algorithm contained therein or a corresponding simulation calculation. Without corresponding computer program resources or a corresponding computing capacity, a component geometry-dependent arrangement and training of the risers or feeders can possibly be too expensive. The mentioned design of the risers and feeders (see above) can preferably mean their size, nature, composition and / or shape.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerpro A computer program product such as a computer pro
grammmittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form ei ner herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen. gram means, can for example be used as a storage medium, e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in a network are provided or included. This can be done, for example, in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
In einer Ausgestaltung wird ein Material oder Ausgangsmateri al für den Formkörper derart gewählt, dass chemische und/oder metallurgische Werkstoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung entstehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils, beispielsweise im Vorfeld, berücksichtigt oder aus geglichen werden. Die Wahl des Materials für den Formkörper kann ebenfalls durch eine entsprechend berechnete oder simu lierte Legierung oder Zusammensetzung computerimplementiert getroffen werden. In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem ersten Material hergestellt. In one embodiment, a material or starting material for the molded body is selected in such a way that chemical and / or metallurgical material changes that occur during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component, for example in advance. The choice of the material for the shaped body can also be made in a computer-implemented manner by means of an appropriately calculated or simulated alloy or composition. In one embodiment, the molded body is made from a first material.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall oder einer Legierung, umfassend zumindest eines dieser Materialien aufgebaut. Alternativ kann das Material des Formkörpers ein anderes Metall oder eine an dere metallische Legierung umfassen. In one embodiment, the shaped body is made up of a steel or a refractory metal or an alloy comprising at least one of these materials. Alternatively, the material of the shaped body can comprise another metal or another metallic alloy.
In einer Ausgestaltung wird der Formkörper insbesondere seine Oberfläche, während des additiven Herstellens aus dem ersten Material gezielt mit, vorzugsweise lediglich einem einzigen Keimbildner und/oder einem Mangel an Keimbildnern versehen, um beispielsweise während der Wärmebehandlung gezielt oder vorbestimmt einen Keim zur Ausbildung einer bestimmten Kris tall- oder Kornstruktur für das Bauteil bereitzustellen bzw. eine Kristallisation oder Keimbildung für ein Kornwachstum entsprechend zu unterdrücken. Dies kann beispielsweise durch eine physikalische oder chemische Konditionierung, Beschich tung, Strukturierung oder Bearbeitung der Bauteiloberfläche geschehen . In one embodiment, the molded body, in particular its surface, is specifically provided with, preferably just a single nucleating agent and / or a shortage of nucleating agents during additive manufacturing from the first material, in order, for example, during the heat treatment to selectively or predeterminedly a nucleus for the formation of a specific kris To provide a metal or grain structure for the component or to suppress crystallization or nucleation for grain growth accordingly. This can be done, for example, by physical or chemical conditioning, coating, structuring or processing of the component surface.
In einer Ausgestaltung wird der wärmebehandelte Formkörper, beispielsweise durch eine weitere Wärmebehandlung und/oder heißisostatisches Pressen, nachbehandelt. Diese Nachbehand lung kann erforderlich sein, um das Bauteil mit ausreichender Strukturqualität fertig zu stellen, beispielsweise indem Ris se, Defekte oder Spannungen auf diese Weise ausgeheilt wer den . In one embodiment, the heat-treated shaped body is post-treated, for example by a further heat treatment and / or hot isostatic pressing. This post-treatment may be necessary in order to finish the component with sufficient structural quality, for example by curing cracks, defects or stresses in this way.
In einer Ausgestaltung erfolgt das additive Herstellen oder Aufbauen des Formkörpers mittels selektiven Laserschmelzens . Alternativ kann die Herstellung beziehungsweise der Aufbau mittels Elektronenstrahlschmelzens oder anderer additiver Verfahren erfolgen. In einer Ausgestaltung werden mindestens das Herstellen und das Entfernen der Form analog zu einem Gussverfahren, insbe sondere einem Feinguss- oder Wachsausschmelzverfahren, durch geführt . In one embodiment, the additive manufacturing or construction of the molded body takes place by means of selective laser melting. Alternatively, the manufacture or construction can be carried out by means of electron beam melting or other additive processes. In one embodiment, at least the production and removal of the mold are carried out analogously to a casting process, in particular a precision casting or lost wax process.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches mittels des beschriebenen Verfahrens her stellbar oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin eine gussähnliche Gefügestruktur, beispielsweise eine kolum- nare, stängelkristalline, gerichtet erstarrte oder einkris talline Gefüge- oder Kristallstruktur oder eine polykristal line im Wesentlichen poren- und lunkerfreie Gefügestruktur. Wie oben angedeutet, gleicht, ähnelt oder entspricht diese Kristall- oder Gefügestruktur eher einem thermodynamischen oder chemischen Gleichgewichtszustand, als dies für die Another aspect of the present invention relates to a component which can be adjusted or produced by means of the method described. The component further comprises a cast-like microstructure, for example a columnar, columnar crystalline, directionally solidified or monocrystalline microstructure or crystal structure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and cavities. As indicated above, this crystal or microstructure resembles, resembles or corresponds more to a thermodynamic or chemical state of equilibrium than is the case for them
Struktur des additiv aufgebauten Formkörpers ohne Wärmebe handlung der Fall wäre. Structure of the additively constructed molding would be the case without heat treatment.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. In one embodiment, the component is intended for use in the hot gas path of a gas turbine.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veran lassen, die Schritte des Auswählens, des Simulieren und/oder des Versehens des Formkörpers während des additiven Herstel lens mit Keimbildnern oder einem Mangel an Keimbildnern durchzuführen . Another aspect of the present invention relates to a computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute the steps of selecting, simulating and / or providing the shaped body during additive manufacturing with nucleating agents or a defect to be carried out on nucleating agents.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zur Herstellung des Bauteils beziehen, können ferner das Bauteil selbst oder das Computerprogramm produkt betreffen oder umgekehrt. Refinements, features and / or advantages, which in the present case relate to the method for producing the component, can also relate to the component itself or the computer program product, or vice versa.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeu tet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. The term "and / or" as used herein, when used in a series of two or more elements, means that each of the listed elements is used alone or any combination of two or more of the listed items can be used.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Further details of the invention are described below with reference to the figures.
Figur 1 deutet eine schematische Schnittansicht einer addi tiven Herstellungsanlage an; Figure 1 indicates a schematic sectional view of an additive manufacturing plant;
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches Ver fahrensschritte der vorliegenden Erfindung andeutet; FIG. 2 shows a simplified flow diagram which indicates process steps of the present invention;
Figur 3 deutet beispielhaft einen additiv hergestellten oder herstellbaren Formkörper an; FIG. 3 indicates, by way of example, a molded body produced or produced additively;
Figur 4 deutet an, dass der Formkörper mit einer Form verse hen wird; FIG. 4 indicates that the molded body will be provided with a mold;
Figur 5 deutet eine Wärmebehandlung des Formkörpers an; FIG. 5 indicates a heat treatment of the shaped body;
Figur 6 deutet das Entfernen der Form an; Figure 6 indicates the removal of the mold;
Figur 7 zeigt beispielhaft eine konkrete Ausgestaltung des Figure 7 shows an example of a specific embodiment of the
Formkörpers bzw. Bauteils, sowie Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens; Molded body or component, as well as details of the method described;
Figur 8 zeigt eine zu der Figur 7 alternative Ansicht. FIG. 8 shows an alternative view to FIG.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. Entsprechend sind hier offenbarte funktionale Einzel heiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem tech- nischen Gebiet Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen. In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference characters. The elements shown and their size relationships to one another are fundamentally not to be regarded as true to scale; rather, individual elements can be shown exaggeratedly thick or with large dimensions for better illustration and / or for better understanding. Correspondingly, the functional details disclosed here are not to be understood as restrictive, but merely as a clear basis that the person skilled in the art on this tech- niche field provides guidance for using the present invention in a variety of ways.
Figur 1 zeigt eine additive Herstellungsanlage 100. Die Anla ge 100 ist vorzugsweise eine konventionelle Anlage zum Aufbau oder zur Herstellung von Bauteilen oder Komponenten mittels Pulverbett-Verfahren (PBF) . Zu diesen Verfahren zählen bei spielsweise das selektive Lasersintern, selektives Laser schmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen. Die genannten Tech niken bedienen sich eines Pulverbettes aus einem Pulver oder Basismaterial, das selektiv und schichtweise mit einem Ener giestrahl 51, beispielsweise einem Laserstrahl, beaufschlagt, aufgeschmolzen und anschließend verfestigt wird. Eine ent sprechende Strahlquelle 50 kann beispielsweise durch eine Elektronenquelle oder einen Laser bereitgestellt werden. Die erste Schicht des Bauteils oder aufzubauenden Körpers wird, sobald sie mit Energie beaufschlagt wird, mit einer Substrat platte 1 verbunden („verschweißt") . Die weiteren Schichten werden ebenfalls stoffschlüssig mit jeweils darunterliegenden Schichten verbunden und entsprechend einer vorbestimmten Geo metrie, welche beispielsweise durch eine CAD-Datei vorgegeben wird, aufgebaut. FIG. 1 shows an additive manufacturing system 100. The system 100 is preferably a conventional system for building or manufacturing parts or components by means of a powder bed process (PBF). These processes include, for example, selective laser sintering, selective laser melting or electron beam melting. The mentioned tech techniques use a powder bed made of a powder or base material, which is selectively and in layers with an energy beam 51, for example a laser beam, applied, melted and then solidified. A corresponding beam source 50 can for example be provided by an electron source or a laser. The first layer of the component or the body to be built is connected ("welded") to a substrate plate 1 as soon as it is energized. The other layers are also materially connected to the respective underlying layers and in accordance with a predetermined geometry, which, for example, by a CAD file is specified.
Ein Formkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung kann wie unten näher beschrieben, über die Herstellungsanlage 100 ad ditiv her- oder bereitgestellt werden. Alternativ kann der Aufbau des Formkörpers durch andere, nicht pulverbettbasier te, Verfahren, beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, erfol gen. Weitere Möglichkeiten für die Herstellung des Formkör pers sind Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS , GDCS ) . A shaped body within the meaning of the present invention can, as described in more detail below, be additionally produced or made available via the production system 100. Alternatively, the molded body can be built up using other, non-powder-bed-based methods, for example "Directed Energy Deposition (DED)" methods, in particular laser deposition welding. Further options for producing the molded body are electron beam or plasma powder welding, Wire welding, metallic powder injection molding, so-called "sheet lamination" processes, or thermal spray processes (VPS LPPS, GDCS).
Nach der Bestrahlung einer jeden Schicht wird die Substrat platte 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechen des Maß abgesenkt, sodass ein neuer Schichtauftrag erfolgen kann. Dieser erfolgt beispielsweise mittels einer Beschich tungseinrichtung 60. Eine Herstellungsoberfläche H befindet sich demgemäß vorzugsweise immer auf der gleichen vertikalen Höhe der Anlage 100. Die Herstellungsoberfläche H kann bei spielsweise durch frisches Pulver P gebildet sein oder auch durch bereits teilweise aufgeschmolzene Bereiche des Bauteils 10. After each layer has been irradiated, the substrate plate 1 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L, so that a new layer is applied can. This is done, for example, by means of a coating device 60. A manufacturing surface H is accordingly preferably always at the same vertical height of the system 100. The manufacturing surface H can be formed, for example, by fresh powder P or by areas of the component 10 that have already been partially melted.
Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielswei se einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufei , ein Segment oder Ring segment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel o- der einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Über gang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil. The component is preferably a component which is used in the hot gas path of a turbomachine, for example a gas turbine. In particular, the component can be a rotor or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, seal, a filter, a mouth or lance, a resonator, stamp o- denote a vortex, or a corresponding transition, use, or a corresponding retrofit part.
Figur 2 deutet anhand des schematischen Flussdiagramms Ver fahrensschritte der vorliegenden Erfindung an. Das Verfahren betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wie dem oben beschriebenen. FIG. 2 uses the schematic flowchart to indicate process steps of the present invention. The method relates to a method for producing a component such as that described above.
Das Verfahren umfasst, a) , das additive Herstellen eines Formkörpers 11 (wie oben beschrieben) für das Bauteil 10 aus einem Pulverbett P. The method comprises, a) the additive production of a molded body 11 (as described above) for the component 10 from a powder bed P.
Das Verfahren umfasst weiterhin, b) , das Ausbilden von Stei gern 12 und/oder Speisern 13 in oder an dem Formkörper 11. The method further comprises, b), the formation of risers 12 and / or feeders 13 in or on the molded body 11.
Das Verfahren umfasst weiterhin, c) , das Herstellen einer Form 30 um den Formkörper 11 herum, wobei die Form 30 ausge bildet ist, den Formkörper 11 für einen Umschmelz- oder Re kristallisationsprozess formstabil zu halten. The method further comprises, c) the production of a mold 30 around the molded body 11, the mold 30 being designed to keep the molded body 11 dimensionally stable for a remelting or recrystallization process.
Das Verfahren umfasst weiterhin, d) , das Wärmebehandeln des Formkörpers 11 für das Bauteil 10 in der Form 30, so dass zu- mindest teilweise eine Gefügeveränderung bewirkt wird. Das Wärmebehandeln erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur T. The method further comprises, d), the heat treatment of the molded body 11 for the component 10 in the mold 30, so that at least partially a structural change is caused. The heat treatment is preferably carried out at a temperature T.
Das Verfahren umfasst weiterhin, e) , das Entfernen der Form 30, beispielsweise durch mechanisches Zerschlagen, vergleiche Figur 6 unten. The method further comprises, e), the removal of the mold 30, for example by mechanical smashing, compare FIG. 6 below.
Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte, beispielsweise Fertigstellungsschritte umfassen, wie, f) , eine Nachbehand lung oder weitere Wärmebehandlung des bereits wärmebehandel ten Formkörpers 11 und/oder heißisostatisches Pressen. Nach oder im Zuge der Fertigstellung kann das beschriebene Verfah ren weiterhin eine Qualitätssicherung oder Qualitätskontrolle umfassen und beispielsweise optisch vermessen werden. Insbe sondere kann eine zerstörungsfreie Materialprüfung, metallo- graphische Analyse, Härtemessung und eine Ermittlung der me chanisch-technischen Kennwerte des Bauteils ermittelt, ausge wertet und zur Optimierung des Verfahrens herangezogen wer den . The method can include further method steps, for example finishing steps, such as, f), post-treatment or further heat treatment of the molded body 11 that has already been heat-treated and / or hot isostatic pressing. After or in the course of completion, the described method can also include quality assurance or quality control and, for example, be optically measured. In particular, a non-destructive material test, metallographic analysis, hardness measurement and determination of the mechanical and technical characteristics of the component can be determined, evaluated and used to optimize the process.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Com puterprogramm bzw. Computerprogrammprodukt (vergleiche Be zugszeichen CPP in Figur 2), welches insbesondere eingerich tet ist, zumindest einige der in Figur 2 beschriebenen Ver fahrensschritte vollständig oder teilweise durch Computerpro grammmittel auszuführen. Insbesondere kann das additive Her stellen des Formkörpers 11, vorzugsweise die Geometrie und Bestrahlungsstrategie des Formkörpers, und das Ausbilden der Steiger und/oder Speiser bzw. eine entsprechende Anordnung dieser Elemente in oder an dem Formkörper 11 mithilfe des Computerprogramms (Computerprogrammproduktes) durchgeführt werden . The present invention also relates to a computer program or computer program product (cf. reference CPP in FIG. 2), which is particularly set up to execute at least some of the process steps described in FIG. 2 completely or partially by computer program means. In particular, the additive manufacture of the molded body 11, preferably the geometry and irradiation strategy of the molded body, and the formation of the risers and / or feeders or a corresponding arrangement of these elements in or on the molded body 11 can be carried out using the computer program (computer program product).
Anhand der Figuren 3 bis 8 wird das vorgestellte Verfahren sowie ein dadurch erhaltenes, hergestelltes oder herstellba res Bauteil detailliert beschrieben. Teile der beschriebenen Verfahrenssequenz können ähnlich oder analog zu einem konven- tionellen Feingussverfahren, beispielsweise einem Wachsaus schmelzverfahren, ausgebildet sein. With the aid of FIGS. 3 to 8, the method presented and a component obtained, manufactured or manufacturable is described in detail. Parts of the described process sequence can be similar or analogous to a conventional tional investment casting process, for example a wax melt process, be formed.
Figur 3 zeigt insbesondere einen, beispielsweise wie oben be schrieben, aufgebauten Formkörper 11. Der Formkörper weist einen Hohlraum, eine Kavität oder einen Kanal 20 auf. Bei spielsweise kann der Formkörper eine fluidgekühlte oder ent sprechend mittels eines Fluids kühlbare Turbinenschaufel be zeichnen . In particular, FIG. 3 shows a shaped body 11 constructed, for example as described above. The shaped body has a cavity, a cavity or a channel 20. For example, the molded body can be a fluid-cooled turbine blade or a turbine blade that can be cooled accordingly by means of a fluid.
Der Formkörper weist weiterhin eine Außenoberfläche 14 auf. The molded body also has an outer surface 14.
Ebenfalls lediglich beispielhaft kann der Formkörper 11 wäh rend seiner additiven Herstellung gezielt mit einem Keimbild ner oder Keim K versehen werden, um beispielsweise während einer nachträglichen Wärmebehandlung zum Umschmelzen zwecks Einstellung des Gefüges, oder zu einer Veränderung des Gefü ges des Formkörpers (vergleiche Figur 4 weiter unten) eine Kristallisation oder ein Kornwachstum entsprechend einer be stimmten Phase und/oder Orientierung bereitzustellen oder zu provozieren. Eine nachträgliche Wärmebehandlung kann auch zum Ausheilen von etwaigen Defekten herangezogen werden. Likewise, only by way of example, the molded body 11 can be specifically provided with a nucleator or nucleus K during its additive production, for example during a subsequent heat treatment for remelting in order to adjust the structure, or to change the structure of the molded body (see Figure 4 further below) to provide or provoke a crystallization or a grain growth corresponding to a certain phase and / or orientation. A subsequent heat treatment can also be used to heal any defects.
Ebenso kann der Formkörper 11 bereits während der additiven Herstellung derart aufgebaut werden, dass sich beispielsweise ein Mangel an Keimen oder Keimbildnern einstellt und eine üb liche oder zu erwartende Kristallisation, Kristallorientie rung und/oder Phase unterdrückt wird. Likewise, the molded body 11 can already be built up during the additive production in such a way that, for example, a lack of nuclei or nucleating agents occurs and a customary or expected crystallization, crystal orientation and / or phase is suppressed.
In Figur 3 ist weiterhin beispielhaft dargestellt, dass - analog zu dem Bridgeman-Verfahren - ein spiralförmiger Korn oder Einkristallselektor GS bereits im Wege der additiven Herstellung des Formkörpers 11 vorgesehen werden kann. Es ist zu erwarten, dass sich beim additiven Aufbau einer Struktur zunächst ein polykristallines Gefüge ausbildet, dessen Körner oder Kristallorientierungen dann vorzugsweise über den Korn selektor GS, zumindest größtenteils, aussortiert werden kön nen. Der Kornselektor GS ist strukturell vorzugsweise über einen „Reduzierabschnitt" mit dem eigentlichen Formkörper 11 verbunden. Auf der dem Formkörper 11 abgewandten Seite des Kornselektors GS ist der oben beschriebene Keim K beispiel haft angedeutet, welcher vorzugsweise der Ausbildung einer ein- oder stängelkristalline Struktur des Bauteils dient. FIG. 3 also shows, by way of example, that - analogously to the Bridgeman method - a spiral grain or single crystal selector GS can already be provided by means of the additive production of the molded body 11. It is to be expected that with the additive build-up of a structure, a polycrystalline structure is initially formed, the grains or crystal orientations of which can then be sorted out, at least for the most part, preferably via the grain selector GS. The grain selector GS is structurally preferably above A "reducing section" is connected to the actual molded body 11. On the side of the grain selector GS facing away from the molded body 11, the above-described nucleus K is indicated by way of example, which preferably serves to form a single or columnar crystalline structure of the component.
Eine Position eines Keims bzw. Keimbildners bzw. eine genaue Ausgestaltung des beschriebenen Kornselektors GS kann eben falls computerimplementiert oder zumindest teilweise mittels eines Computerprogramms oder entsprechenden Produktes berech net, optimiert oder durchgeführt werden. A position of a nucleus or nucleator or a precise configuration of the described grain selector GS can also be computer-implemented or at least partially calculated, optimized or carried out by means of a computer program or a corresponding product.
Figur 4 zeigt im Unterschied zu der Darstellung der Figur 3, dass erstens Steiger 12 und/oder Speiser 13 an dem Formkörper 11 ausgebildet wurden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise an der Oberfläche 14 des Formkörpers 11, kann jedoch auch teilweise innerhalb des Formkörpers 11 erfolgen. Insbesondere wird eine Position der Steiger 12 und/oder Speiser 13 und des Formkör pers 11 so gewählt, dass sich bei der Wärmebehandlung im We sentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und etwaige Ver unreinigungen oder Schlacken beim Schmelzprozess verdrängt werden . In contrast to the illustration in FIG. 3, FIG. 4 shows that first risers 12 and / or feeders 13 were formed on the molded body 11. This is expediently carried out on the surface 14 of the shaped body 11, but can also take place partially within the shaped body 11. In particular, a position of the riser 12 and / or feeder 13 and the molded body 11 is chosen so that essentially no pores or cavities are formed during the heat treatment and any impurities or slag are displaced during the melting process.
Durch oder mithilfe des beschriebenen Computerprogrammproduk tes wird beispielsweise eine Ausbildung und/oder eine Positi on der Steiger und/oder Speiser an dem Formkörper 11 simu liert. Dadurch können mit Vorteil (computerimplementiert) komplizierte Rechnungen zu der Geometrie der Steiger oder Entlüftungskanäle oder auch deren Position zweckmäßig und ge zielt auf die Bauteilgröße, deren Material und den Anwen dungsbereich abgestimmt durchgeführt werden. Gleiches gilt für die Ausbildung oder Anordnung der Speiser. Entsprechende manuelle Rechnungen wären ineffizient, wenn nicht gar unmög lich bzw. würden zu unzureichenden Ergebnissen führen. By or with the aid of the computer program product described, for example, a training and / or a position of the risers and / or feeders on the molded body 11 is simulated. As a result, complicated calculations (computer-implemented) for the geometry of the risers or ventilation ducts or their position can be carried out appropriately and tailored to the component size, their material and the area of application. The same applies to the training or arrangement of the feeders. Corresponding manual invoices would be inefficient, if not impossible, or would lead to inadequate results.
Weiterhin ist in Figur 4 zu erkennen, dass eine Form 30 um den Formkörper 11 herum aufgebaut wurde, und diese Form ent sprechend durch Außenoberflächen 14 des Formkörpers 11 defi- niert ist. Die Form 30 kann in einem einzigen Arbeitsschritt oder auch in einer Vielzahl von Arbeitsgängen, beispielsweise durch Besanden oder Besprühen, entstehen. Der Formstoff der Form 30 kann flüssig oder fest sein und beispielsweise Ton, Keramik, Schlicker, Quarzsand, Zirkonsand, synthetische Bin der und weitere Materialien aufweisen. Die Form 30 kann wei terhin eine Grünform sein. Die Form 30 soll jedenfalls ausge bildet sein, den Formkörper für einen Umschmelz- oder Rekris tallisationsprozess (siehe unten) formstabil zu halten. Dafür oder für die Erzielung von weiteren Vorteilen kann die Form Kühlplatten, Isolierungen oder mechanische Versteifungen um fassen . Furthermore, it can be seen in FIG. 4 that a mold 30 has been built up around the molded body 11, and this shape is accordingly defined by outer surfaces 14 of the molded body 11. is ned. The mold 30 can be created in a single work step or in a plurality of work steps, for example by sanding or spraying. The molding material of the mold 30 can be liquid or solid and comprise, for example, clay, ceramic, slip, quartz sand, zircon sand, synthetic binders and other materials. The shape 30 may furthermore be a green shape. The mold 30 should in any case be designed to keep the molded body dimensionally stable for a remelting or recrystallization process (see below). For this purpose or to achieve further advantages, the shape can include cooling plates, insulation or mechanical reinforcements.
Durch den gekrümmten Pfeil rechts neben der Figur 4 und die Bezugssymbole T > Te soll veranschaulicht werden, dass wei terhin nach dem optionalen Anbringen der Steiger 12 und/oder Speiser 13, eine Wärmebehandlung des Formkörpers 11 bei einer Temperatur T in der Form 30 erfolgt, die höher ist als eine eutektische Temperatur. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise derart durchgeführt bzw. die Temperatur T derart gewählt, dass zumindest teilweise eine Gefügeveränderung, beispiels weise eine Rekristallisation, eine chemische Veränderung, ei ne Diffusion die Festigkeit definierender Gefügebestandteile oder auch eine Umschmelzung bewirkt wird. Dabei muss nicht notwendigerweise ein Schmelzpunkt der entsprechenden Phase oder des Materials des Formkörpers 11 überschritten werden. Vielmehr ist vorzugsweise die Temperatur T größer als eine eutektische Temperatur Te bzw. eine niedrigste Solidustempe- ratur eines Materials des Formkörpers 11 gewählt. The curved arrow to the right of FIG. 4 and the reference symbols T> T e are intended to illustrate that after the risers 12 and / or feeders 13 have been optionally attached, the molded body 11 is heat treated at a temperature T in the mold 30 that is higher than a eutectic temperature. The heat treatment is preferably carried out or the temperature T selected such that a structural change, for example a recrystallization, a chemical change, a diffusion of structural components defining the strength or a remelting is effected at least in part. A melting point of the corresponding phase or of the material of the molded body 11 does not necessarily have to be exceeded. Rather, the temperature T is preferably selected to be greater than a eutectic temperature T e or a lowest solidus temperature of a material of the molded body 11.
Vorzugsweise wird ein Material des oder für den Formkörper 11 derart gewählt, dass chemische und/oder metallurgische Werk stoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung ent stehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils 10 be rücksichtigt oder ausgeglichen werden. Die Wahl dieses Mate rials kann ebenfalls unterstützt durch ein Computerprogramm produkt oder eine entsprechende Berechnung oder Simulation erfolgen . In einer Ausgestaltung wird der Formkörper 11 aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall oder einer Legierung, umfassend einen Stahl und/oder ein Refraktärmetall, aufgebaut. A material for or for the molded body 11 is preferably selected in such a way that chemical and / or metallurgical material changes that arise during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component 10. The choice of this material can also be made supported by a computer program product or a corresponding calculation or simulation. In one embodiment, the shaped body 11 is constructed from a steel or a refractory metal or an alloy comprising a steel and / or a refractory metal.
Figur 5 zeigt vorzugsweise das Bauteil 10 nach seiner Wärme behandlung. Durch die doppelte Schraffur des Bauteils ist ei ne im Gegensatz zu dem Formkörper 11 veränderte Struktur bzw. ein entsprechend verändertes oder umgeschmolzenes Gefüge mit vorteilhaft veränderten Werkstoffeigenschaften, beispielswei se einer deutlich gesteigerten Härte, Heißrissresistenz, Kriechfestigkeit oder weiteren Eigenschaften, angedeutet. Ein entsprechend verbessertes Gefüge oder eine verbesserte Struk tur kann durch gängige Verfahren der spezifischen Element-, Struktur-, oder Materialanalyse, beispielsweise durch Rönt genfluoreszenzanalyse oder andere zerstörende oder nicht zer störende Untersuchungen festgestellt werden. Figure 5 preferably shows the component 10 after its heat treatment. The double hatching of the component indicates a modified structure or a correspondingly modified or remelted structure with advantageously modified material properties, for example a significantly increased hardness, hot crack resistance, creep resistance or other properties, in contrast to the molded body 11. A correspondingly improved structure or structure can be determined by common methods of specific element, structure or material analysis, for example by X-ray fluorescence analysis or other destructive or non-destructive investigations.
Nachdem das Bauteil, wie in Figur 6 angedeutet, beispielswei se durch Zerschlagen von seiner Form 30 befreit wurde und möglicherweise durch weitere Wärmenachbehandlungen oder Nach bearbeitungsschritten, wie heißisostatisches Pressen, fertig gestellt wurde, umfasst es vorzugsweise (im Gegensatz zur ad ditiv aufgebauten Struktur) eine gussähnliche Gefügestruktur, beispielsweise eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Gefügestruktur oder eine polykristalline im Wesentlichen po- ren- und lunkerfreie Gefügestruktur. After the component, as indicated in FIG. 6, has been freed from its shape 30, for example by being smashed, and possibly completed by further heat treatment or post-processing steps such as hot isostatic pressing, it preferably comprises (in contrast to the additive structure) a Cast-like microstructure, for example a directionally solidified or monocrystalline microstructure or a polycrystalline microstructure that is essentially free of pores and voids.
Anhand der Figuren 7 und 8 werden Verfahrensschritte des be schriebenen Verfahrens sowie Aspekte des Bauteils anhand ei nes weiteren, zu den Darstellungen der Figuren 3 bis 6 alter nativen, Designs beschrieben. With the aid of FIGS. 7 and 8, process steps of the described method and aspects of the component are described with the aid of a further design that is alternative to the illustrations in FIGS. 3 to 6.
Figur 7 zeigt einen Kühlkörper 11, dessen Funktion im Wesent lichen darin besteht, sich im Betrieb zur Kühlung einer wei teren Komponente zweckmäßig zu erwärmen. Der additiv aufge baute Kühlkörper 11 hat vorzugsweise trichterförmige Einlass öffnungen 20. Diese Öffnungen oder Kanäle können über einen nicht explizit gekennzeichneten Ringkanal, welcher das rota tionssymmetrische Bauteil im Betrieb umgeben kann, angeströmt werden, während sich der Kühlkörper 11 um seine Rotationsach se dreht. Die Einlassöffnungen können in Schnecken- oder he lixartigen Kühlkanälen münden, deren Aufgabe es ist, die Wär me des Bauteils an ein Fluid abzugeben, das dieses durch strömt FIG. 7 shows a heat sink 11, the function of which is essentially to heat itself up during operation to cool a further component. The additively built-up heat sink 11 preferably has funnel-shaped inlet openings 20. These openings or channels can be via a not explicitly marked ring channel, which can surround the rotationally symmetrical component during operation, flowed against while the heat sink 11 rotates about its rotational axis. The inlet openings can open into screw-like or helix-like cooling channels, the task of which is to give off the heat from the component to a fluid that flows through it
Wie oben angeführt, sind beispielhaft eine Mehrzahl von Spei sern 12 gezeigt, welche z.B. regelmäßig an einer Oberfläche 14 des Kühlkörpers 11 angeordnet sind, um, während der Wärme behandlung, ihren Zweck zu erfüllen. As stated above, a plurality of stores 12 are shown by way of example, which e.g. are regularly arranged on a surface 14 of the heat sink 11 to, during the heat treatment, to fulfill their purpose.
Ein einzelner Steiger 12 ist ähnlich vereinfacht zentral an dem Formkörper in der Nähe der Rotationsachse angeordnet. Demgemäß kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Anzahl der Speiser 13 die Anzahl der Steiger 12 übersteigt. Dadurch können die Materialdepots fein über die Oberfläche 14 des Kühlkörpers 11 verteilt sein und somit zu einer möglichst homogenen Materialversorgung führen, wo hingegen als Steiger lediglich ein zentraler Punkt ausreicht. A single riser 12 is arranged in a similarly simplified manner centrally on the molded body in the vicinity of the axis of rotation. Accordingly, it can be provided within the scope of the present invention that the number of feeders 13 exceeds the number of risers 12. As a result, the material depots can be finely distributed over the surface 14 of the cooling body 11 and thus lead to a material supply that is as homogeneous as possible, where, however, only a central point is sufficient as a riser.
Die in Figuren 7 und 8 gezeigten Kühlkanäle 20 müssen während der Wärmebehandlung unter Umständen mit einem Materialkern (vgl. Bezugszeichen 15) gefüllt werden, um im Design vorgese hene Hohlräume zu definieren, da die Hohlräume sonst mit Formkörpermaterial gefüllt bzw. verdrängt werden könnten und/oder das Bauteil seine Formstabilität und/oder Funktion verlieren könnte. Dies kann insbesondere Eintreten, wenn die Schmelztemperatur des Materials des Formkörpers während der Wärmebehandlung überschritten wird. The cooling channels 20 shown in FIGS. 7 and 8 may have to be filled with a material core (see reference number 15) during the heat treatment in order to define cavities provided in the design, since the cavities could otherwise be filled or displaced with molded body material and / or the component could lose its dimensional stability and / or function. This can occur in particular if the melting temperature of the material of the shaped body is exceeded during the heat treatment.
Figur 8 ist eine zur Figur 7 ähnliche Darstellung, wobei der Kühlkörper 11 jedoch gedreht und perspektivisch abgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass die Kanäle 20 an der unteren Seite des Bauteils Auslässe (nicht explizit durch Bezugszei chen gekennzeichnet) aufweisen. Weiterhin ist zu erkennen, dass Speiser 13 auch an einer Man telfläche des Kühlkörpers 11 angeordnet sind, sowie dass der Formkörper 11 bzw. das Bauteil 10 ringförmig ausgestaltet ist . FIG. 8 is a representation similar to FIG. 7, but the heat sink 11 is rotated and shown in perspective. It can be seen that the channels 20 have outlets (not explicitly identified by reference characters) on the lower side of the component. It can also be seen that feeders 13 are also arranged on a surface of the heat sink 11, and that the molded body 11 or the component 10 is configured in an annular manner.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not restricted to these by the description based on the exemplary embodiments, but rather encompasses any new feature and any combination of features. In particular, this includes any combination of features in the claims, even if this feature or this combination is not itself explicitly specified in the claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), umfassend die 1. A method for producing a component (10), comprising the
Schritte : Steps :
- a) additives Herstellen eines Formkörpers (11) für das Bau teil (10), insbesondere aus einem Pulverbett (P) , - A) additive manufacturing of a molded body (11) for the construction part (10), in particular from a powder bed (P),
- b) Ausbilden von Steigern (12) und/oder Speisern (13) an dem Formkörper (11), - b) forming risers (12) and / or feeders (13) on the molded body (11),
- c) Herstellen einer Form (30) um den Formkörper (11) herum, wobei die Form (30) ausgebildet ist, den Formkörper (11) für einen Umschmelz- oder Rekristallisationsprozess form stabil zu halten, - c) producing a mold (30) around the molded body (11), the mold (30) being designed to keep the molded body (11) stable in shape for a remelting or recrystallization process,
- d) Wärmebehandeln (T) des Formkörpers (11) für das Bauteil (10) in der Form (30), so dass zumindest teilweise eine Ge fügeveränderung bewirkt wird, und - d) heat treatment (T) of the shaped body (11) for the component (10) in the mold (30), so that at least partially a structural change is brought about, and
- e) Entfernen der Form (30) . - e) removing the mold (30).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Form (30) durch Au ßenoberflächen (14) des Formkörpers (11) definiert wird. 2. The method according to claim 1, wherein the shape (30) by Au ßenoberflächen (14) of the molded body (11) is defined.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Wärmebehan deln des Formkörpers (11) bei einer Temperatur (T) erfolgt, welche größer ist als eine eutektische Temperatur (Te) bzw. eine niedrigste Solidustemperatur eines Materials des Form körpers (11). 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment of the shaped body (11) at a temperature (T) which is greater than a eutectic temperature (T e) or a lowest solidus temperature of a material of the shaped body (11) .
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Position der Steiger (12) und/oder Speiser (13) und des Formkörpers (11) so gewählt wird, dass sich bei der Wärmebe handlung im Wesentlichen keine Poren oder Lunker ausbilden und etwaige Verunreinigungen oder Schlacken beim Schmelzpro zess, insbesondere in einen Steiger (12) verdrängt werden. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein a position of the risers (12) and / or feeders (13) and the shaped body (11) is selected so that essentially no pores or cavities and any impurities form during the heat treatment or slag in the process of Schmelzpro, especially in a riser (12) are displaced.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ausbildung und/oder eine Position der Steiger und/oder Speiser an dem Formkörper (11) simuliert wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein a design and / or a position of the risers and / or feeders on the molded body (11) is simulated.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material für den Formkörper (11) derart gewählt wird, dass chemische oder metallurgische Werkstoffveränderungen, welche während der Wärmebehandlung entstehen, hinsichtlich eines Zielgefüges des Bauteils (10) berücksichtigt oder aus geglichen werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a material for the molded body (11) is selected such that chemical or metallurgical material changes that occur during the heat treatment are taken into account or compensated for with regard to a target structure of the component (10).
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper aus einem Stahl oder einem Refraktärmetall o- der einer Legierung, umfassend zumindest eines dieser Materi alien, aufgebaut wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the shaped body from a steel or a refractory metal or an alloy comprising at least one of these materi alien is built up.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper (11), insbesondere seine Oberfläche (14), wäh rend des additiven Herstellens gezielt mit einem Keimbildner oder einem Mangel an Keimbildnern versehen wird, um während der Wärmebehandlung gezielt einen Kristallisationskeim be reitzustellen bzw. eine Kristallisation zu unterdrücken. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the shaped body (11), in particular its surface (14), during the additive manufacturing is specifically provided with a nucleating agent or a lack of nucleating agents in order to provide a crystal nucleus during the heat treatment to suppress crystallization.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wärmebehandelte Formkörper (11), beispielsweise durch ei ne weitere Wärmebehandlung und/oder heißisostatisches Pressen nachbehandelt (f) wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the heat-treated shaped body (11), for example by egg ne further heat treatment and / or hot isostatic pressing is post-treated (f).
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das additive Herstellen des Formkörpers (11) mittels selek tiven Laserschmelzens erfolgt. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the additive manufacturing of the molded body (11) takes place by means of selective laser melting.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens das Herstellen und das Entfernen der Form (30) analog zu einem Gussverfahren, insbesondere einem Feinguss verfahren, durchgeführt werden. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least the production and the removal of the mold (30) are carried out analogously to a casting process, in particular a precision casting process.
12. Bauteil (10), welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar oder hergestellt ist, weiterhin umfassend eine gussähnliche Gefügestruktur, bei spielsweise eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Ge- fügestruktur oder eine polykristalline im Wesentlichen poren- und lunkerfreie Gefügestruktur. 12. Component (10) which can be produced or produced according to the method according to one of the preceding claims, further comprising a cast-like microstructure, for example a directionally solidified or monocrystalline structure joint structure or a polycrystalline, essentially pore-free and void-free microstructure.
13. Bauteil (10) gemäß Anspruch 12, welches für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen ist. 13. Component (10) according to claim 12, which is provided for use in the hot gas path of a gas turbine.
14. Computerprogrammprodukt (CPP) , umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Auswählens, des Simulierens und/oder des Versehens nach einem der Ansprüche 4, 5 bzw. 8 durchzuführen . 14. Computer program product (CPP), comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of selecting, simulating and / or providing according to one of claims 4, 5 or 8.
PCT/EP2020/063966 2019-05-23 2020-05-19 Manufacturing method comprising additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and thermal treatment WO2020234295A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019207553.3A DE102019207553A1 (en) 2019-05-23 2019-05-23 Manufacturing process with additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and heat treatment
DE102019207553.3 2019-05-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020234295A1 true WO2020234295A1 (en) 2020-11-26

Family

ID=70918404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/063966 WO2020234295A1 (en) 2019-05-23 2020-05-19 Manufacturing method comprising additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and thermal treatment

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019207553A1 (en)
WO (1) WO2020234295A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022201013A1 (en) 2022-02-01 2023-08-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Process for the production of a complex component from a non-weldable or difficult-to-weld alloy with a lost pattern

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4334513A1 (en) * 2021-04-10 2024-03-13 Dadbakhsh, Sasan System and method for forming single crystal components using additive manufacturing tooling
DE102021207722A1 (en) 2021-07-20 2023-01-26 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Surface reshaping for additively manufactured structures

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2022622A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-11 Rolls-Royce plc Support architecture
US20130112366A1 (en) * 2010-07-01 2013-05-09 Snecma Process for manufacturing a metal part by selectively melting a powder
WO2014052323A1 (en) * 2012-09-28 2014-04-03 United Technologies Corporation Uber-cooled turbine section component made by additive manufacturing
EP2601006B1 (en) 2010-08-05 2014-06-18 Siemens Aktiengesellschaft A method for manufacturing a component by selective laser melting
EP3290135A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-07 Honeywell International Inc. Methods for directionally recrystallizing additively-manufactured metallic articles by heat treatment with a gradient furnace
WO2018186849A1 (en) * 2017-04-05 2018-10-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. 3d printer and 3d printing

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009048665A1 (en) * 2009-09-28 2011-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Turbine blade and method for its production
DE102014207791A1 (en) * 2014-04-25 2015-10-29 Siemens Aktiengesellschaft Method for investment casting of metallic components

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2022622A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-11 Rolls-Royce plc Support architecture
US20130112366A1 (en) * 2010-07-01 2013-05-09 Snecma Process for manufacturing a metal part by selectively melting a powder
EP2601006B1 (en) 2010-08-05 2014-06-18 Siemens Aktiengesellschaft A method for manufacturing a component by selective laser melting
WO2014052323A1 (en) * 2012-09-28 2014-04-03 United Technologies Corporation Uber-cooled turbine section component made by additive manufacturing
EP3290135A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-07 Honeywell International Inc. Methods for directionally recrystallizing additively-manufactured metallic articles by heat treatment with a gradient furnace
WO2018186849A1 (en) * 2017-04-05 2018-10-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. 3d printer and 3d printing

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022201013A1 (en) 2022-02-01 2023-08-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Process for the production of a complex component from a non-weldable or difficult-to-weld alloy with a lost pattern

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019207553A1 (en) 2020-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020234295A1 (en) Manufacturing method comprising additive manufacturing of a shaped body, manufacture of a mold and thermal treatment
EP1645347B1 (en) Method for producing a casting of high thermal load
WO2011050765A1 (en) Method and device for producing a component of a turbomachine
EP3731985B1 (en) Method for additive manufacturing a component with oxide dispersion strengthening and corresponding component
DE102010037690A1 (en) Turbine rotor fabrication using cold spraying
DE102006049216A1 (en) High-pressure turbine rotor and method for producing a high-pressure turbine rotor
WO2017174234A1 (en) Method for producing a workpiece by coating and additive production, and corresponding workpiece
WO2019141783A1 (en) Method for producing a ceramic core for the production of a casting having hollow structures and ceramic core
EP2522810A1 (en) Method for generative production of a component, in particular of a compressor blade, and such a component
WO2006056524A1 (en) Method for production of a disposable pattern and core arranged therein
DE102016216721A1 (en) Method for additive production by means of porous auxiliary structure, component and device
EP3682988A1 (en) Method for producing rotor blades from ni base alloys and rotor blade produced according to said method
EP2101938A1 (en) Method for producing a pattern for the precision-cast representation of a component having at least one cavity
WO2022017670A1 (en) Irradiation strategy for a coolable, additively manufactured structure
EP2766149B1 (en) Method for repairing surface damage to a flow engine component
DE2534050A1 (en) PROCESS FOR JOINING TWO METALLIC MOLDED PARTS
WO2009015642A2 (en) Mechanically resistant member for castings, and method for the production thereof
WO2017194451A1 (en) Pre-treatment, method for additive production of a component, and device
WO2012051978A2 (en) Component, and method for developing, repairing and/or constructing such a component
EP4031310A1 (en) Method for the layer-by-layer additive manufacturing of a composite material
WO2020020508A1 (en) Additive manufacturing method with selective irradiation and simultaneous application and thermal treatment
WO2019137757A1 (en) Turbine airfoil, turbine blade and method for the production thereof
WO2014053419A2 (en) Metal alloy having quasi-crystal particles, powder, component, method and layer system
EP4015106A1 (en) Porous component structure made using additive manufacturing and means for producing the same
DE102022201013A1 (en) Process for the production of a complex component from a non-weldable or difficult-to-weld alloy with a lost pattern

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20728998

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20728998

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1