DE102015216802A1

DE102015216802A1 - Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen

Info

Publication number: DE102015216802A1
Application number: DE102015216802.6A
Authority: DE
Inventors: Martin SCHLOFFER; Wilfried Smarsly; Karl-Heinz Dusel; Andreas Jakimov
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel (12) für ein heiß-isostatisches Pressen umfassend zumindest die Schritte: Generatives Herstellen einer Außenhaut (28) einer geschlossenen Kapsel (12), wobei die Kapsel (12) wenigstens teilweise mit einem pulverförmigen Füllmaterial (30) gefüllt wird und ein Unterdruck in einem Innenraum (32) der Kapsel (12) erzeugt wird und Sintern des pulverförmigen Füllmaterials (30) bis zu einem Beginn einer Sinterhalsbildung des pulverförmigen Füllmaterials (30). Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung dieser Kapsel (12) und ein Bauteil einer Strömungsmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer nach einem solchen Verfahren hergestellten Kapsel sowie ein Bauteil für eine Strömungsmaschine.
Aus der EP 2 551 040 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen bekannt. Dabei wird eine Außenhaut einer geschlossenen Kapsel generativ hergestellt. Die Kapsel wird wenigstens teilweise mit einem pulverförmigen Füllmaterial gefüllt und ein Unterdruck in einem Innenraum der Kapsel erzeugt. Eine Wandstärke der Außenhaut der Kapsel kann dabei mit variabler Dicke ausgeführt sein, um aus der Kapsel ein Bauteil pressen zu können, dessen Geometrie besonders genau einer endgültigen Geometrie eines fertigen Bauteils entspricht. Die endgültige Geometrie kann dabei auch als Endkontur bezeichnet werden. Dadurch muss das Bauteil nach dem heiß-isostatischen Pressen besonders wenig nachbearbeitet werden.
Aus der EP 1 878 522 A1 ist ein generatives Herstellverfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bauteils bekannt. Das Bauteil wird dabei aus einem pulverförmigen Material mittels eines Hochenergiestrahls durch Schmelzen und/oder Sintern erzeugt. Das Material kann dabei beispielsweise eine Mischung aus Titan und Aluminium sein. Dabei ist es vorgesehen, das pulverförmige Material so weit vorzuheizen, dass es wenigstens in den Bereichen, in welchen das dreidimensionale Bauteil erzeugt werden soll, zu einem schwachen Sintern kommt.
Die WO 2013/092123 A1 beschreibt ein generatives Fertigungsverfahren eines kompakten Bauteils, welches eine Hülle umfasst und eine einen Innenraum der Hülle füllende Kernstruktur.
Generell ist es Ziel bei generativen Fertigungsverfahren, Bauteile so herzustellen, dass diese besonders wenig nachbearbeitet werden müssen. Ist beispielsweise nach dem generativen Fertigen eine zusätzliche Nachbearbeitung beispielsweise durch Fräsen, Bohren und/oder Schleifen notwendig, erhöht dies die Fertigungskosten und die Fertigungsdauer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen zu schaffen, mittels welchem ein aus dieser Kapsel erzeugtes Bauteil insgesamt besonders kostengünstig herstellbar ist. Die Herstellungskosten umfassen dabei wenigstens jeweilige Kosten für die Herstellung der Kapsel, für deren heiß-isostatisches Pressen und/oder eine Nachbearbeitung eines durch Pressen der Kapsel erzeugten Bauteils. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, diese Kapsel so zu verwenden, dass sich ein besonders kostengünstiges Bauteil herstellbar ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein besonders kostengünstiges Bauteil für eine Strömungsmaschine zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, der Verwendung oder des Bauteils auch als jeweils gegenseitige vorteilhafte Ausgestaltungen anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen, umfassend zumindest ein generatives Herstellen einer Außenhaut einer geschlossenen Kapsel, wobei die Kapsel wenigstens teilweise mit einem pulverförmigen Füllmaterial gefüllt wird und ein Unterdruck in einem Innenraum der Kapsel erzeugt wird. Dadurch kann in einem einzigen Verfahrensschritt eine Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen hergestellt werden. Das heißt, bei der generativen Herstellung der Kapsel kann die Kapsel simultan hergestellt, gereinigt, geprüft, befüllt, evakuiert und verschlossen werden. Anschließend kann die Kapsel durch ein heiß-isostatisches Pressen, welches auch als HIPen oder kurz als Pressen bezeichnet werden kann, in eine endkonturnahe Form eines Bauteils gepresst werden. Insbesondere kann durch das generative Herstellen der Außenhaut eine komplexe Kapselgeometrie vorgesehen sein, wodurch auch komplexe Bauteilgeometrien endkonturnah durch heiß-isostatisches Pressen hergestellt werden können.
Das generative Herstellen der Außenhaut kann auch als additives Herstellungsverfahren bezeichnet werden. Bekannte generative Herstellungsverfahren sind beispielsweise das selektive Laser Melting (SLM), das Electron Beam Melting (EBM) und das Laser Metal Deposition-Verfahren (LMD). Das endkonturnahe heiß-isostatische Pressen kann auch als Near-Net-Shape HIPen bezeichnet werden. Besonders wichtig ist dabei eine reproduzierbare Packungsdichte und Pulververteilung des Füllmaterials in dem Innenraum der Kapsel, um einen reproduzierbaren Schrumpf und Verzug beim heiß-isostatischen Pressen zu gewährleisten.
Die Außenhaut kann beispielsweise im Wesentlichen gasdicht sein, um den Unterdruck in dem Innenraum der Kapsel bis zum heiß-isostatischen Pressen zu gewährleisten. Der Unterdruck in dem Innenraum der Kapsel kann beispielsweise kleiner als 10^–5 Millibar sein. Für eine ausreichende Gasdichtigkeit der Außenhaut kann beispielsweise die Außenhaut eine Rauheit kleiner 25 Prozent der halben Wandstärke aufweisen. Durch das heiß-isostatische Pressen der Kapsel mit Unterdruck im Innenraum wird das darin befindliche Füllmaterial zu einem dichten Formkörper verdichtet.
Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass das pulverförmige Füllmaterial bis zu einem Beginn einer Sinterhalsbildung des pulverförmigen Füllmaterials gesintert wird. Bei der Sinterhalsbildung bilden sich durch Oberflächendiffusion zwischen den Partikeln des Füllmaterials Sinterhälse, welche zur Verfestigung und Verdichtung des Füllmaterials führen. Es entsteht also eine metallurgische Festkörperverbindung zwischen Partikeln des Füllmaterials. Dies kann auch als Vorsintern bezeichnet werden. Dadurch kann eine definierte und reproduzierbare Packungsdichte und Pulververteilung des Füllmaterials in dem Inneren der Kapsel eingestellt werden. Insbesondere kann dabei eine räumliche Lage wenigstens eines Großteils der Partikel des Füllmaterials in dem Innenraum der Kapsel festgelegt werden. Durch äußere Kräfte bis zu einer bestimmten Stärke kann dann nicht mehr die Lage der jeweiligen Partikel des Füllmaterials in dem Innenraum der Kapsel verändert werden. Insbesondere kann es nicht mehr durch ein Bewegen der Kapsel und/oder jeweilige auf die Kapsel einwirkende Vibration zu einer lokalen Dichteveränderung des Füllmaterials in dem Innenraum der Kapsel kommen. Dadurch ist es beispielsweise problemlos möglich, die Kapsel von einer Anlage zum generativen Herstellen zu einer Anlage für das heiß-isostatische Pressen zu transportieren, ohne dass es zu einer Separation jeweiliger Pulverfraktionen beim Transport kommt.
Beim heiß-isostatischen Pressen der Kapsel führen alle ungewollten Veränderungen des Füllmaterials, insbesondere dessen lokaler Dichte und eine Separation von Pulverfraktionen, zu einer Qualitätsreduktion des fertigen Bauteils. Das heißt, dass insbesondere die Bauteilkontur nicht einer gewünschten Endkontur entsprechen kann und/oder das Bauteil lokal eine geringere Festigkeit aufweist als beabsichtigt. Durch das Sintern des Füllmaterials bis zu dem Beginn der Sinterhalsbildung kann eine homogene, reproduzierbare Pulverfüllung der Kapsel für weitere Verfahrensschritte realisiert werden. Dadurch erhält man einen gleichbleibenden Schrumpf und Verzug der Kapsel beim heiß-isostatischen Pressen, womit ein qualitatives besonders hochwertiges Bauteil erzeugt werden kann. Insbesondere kann die Kapsel näher an eine Endkontur des zu fertigenden Bauteils heiß-isostatisch gepresst werden. So muss besonders wenig zusätzliches Material für eine Nachbearbeitung vorgesehen werden. Dadurch kann bei Nutzung des hier beschriebenen Verfahrens zum Herstellen der Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen ein besonders kostengünstiges Bauteil hergestellt werden. Da das Füllmaterial im Innenraum der Kapsel beim Herstellen der Kapsel nicht geschmolzen wird, sondern erst beim heiß-isostatischen Pressen verdichtet und mikrostrukturell verändert wird, kann zudem eine aufwändige Prozesskontrolle jeweiliger Kapselherstellparameter bei dem generativen Herstellen entfallen, solange die Kapsel vollständig entfernt wird. Des Weiteren treten keine in additiven Prozessen üblichen Elementeabdampfungen im Inneren des Bauteils auf, wodurch sehr homogene Mikrostrukturen und unidirektionale, texturfreie Eigenschaften erreicht werden können.
Der Beginn der Sinterhalsbildung kann bei einer Titan-Aluminiumlegierung beispielsweise bei einer Temperatur von 900 bis 1190 Grad Celsius einsetzen. Jeweilige Prozessparameter wie Temperatur, notwendige Wärmezufuhr, und/oder eine Erwärmungszeit bis zu dem Beginn der Sinterhalsbildung sind dabei abhängig von dem gewählten Füllmaterial.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Beginn der Sinterhalsbildung durch ein Verhältnis von einem Radius eines Sinterhalses zu einem Teilchenradius des pulverförmigen Füllmaterials von weniger als 0,5, 0,49, 0,48, 0,47, 0,46, 0,45, 0,44, 0,43, 0,42, 0,41, 0,40, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,30, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26, 0,25, 0,24, 0,23, 0,22, 0,21, 0,20, 0,19, 0,18, 0,17, 0,16, 0,15, 0,14, 0,13, 0,12, 0,11, 0,10, 0,09, 0,08, 0,07, 0,06, 0,05, 0,04, 0,03, 0,02, 0,01, 0,0099, 0,0098, 0,0097, 0,0096, 0,0095, 0,0094, 0,0093, 0,0092, 0,0091, 0,0090, 0,0089, 0,0088, 0,0087, 0,0086, 0,0085, 0,0084, 0,0083, 0,0082, 0,0081, 0,0080, 0,0079, 0,0078, 0,0077, 0,0076, 0,0075, 0,0074, 0,0073, 0,0072, 0,0071, 0,0070, 0,0069, 0,0068, 0,0067, 0,0066, 0,0065, 0,0064, 0,0063, 0,0062, 0,0061, 0,0060, 0,0059, 0,0058, 0,0057, 0,0056, 0,0055, 0,0054, 0,0053, 0,0052, 0,0051, 0,0050, 0,0049, 0,0048, 0,0047, 0,0046, 0,0045, 0,0044, 0,0043, 0,0042, 0,0041, 0,0040, 0,0039, 0,0038, 0,0037, 0,0036, 0,0035, 0,0034, 0,0033, 0,0032, 0,0031, 0,0030, 0,0029, 0,0028, 0,0027, 0,0026, 0,0025, 0,0024, 0,0023, 0,0022, 0,0021, 0,0020, 0,0019, 0,0018, 0,0017, 0,0016, 0,0015, 0,0014, 0,0013, 0,0012, 0,0011, 0,0010, 0,0009, 0,0008, 0,0007, 0,0006, 0,0005, 0,0004, 0,0003, 0,0002, oder vorzugsweise weniger als 0,0001 definiert wird. Das Verhältnis von dem Radius des Sinterhalses zu dem Teilchenradius wird auch als Grad der Sinterhalsbildung bezeichnet. Dabei kommt es nur zu einer schwachen Ansinterung direkt an jeweiligen Kontaktfläche von einzelnen Körnern des pulverförmigen Füllmaterials. Vorzugsweise kommt es zu keiner deutlich ausgeprägte Sinterhalsbildung. Vorzugsweise kommt es auch zu keiner Schmelzung, sondern nur zu einer Anbindung im Kontaktbereich. Dies kann auch als Anhaftung zwischen jeweiligen Pulverpartikeln des pulverförmigen Füllmaterials an jeweiligen Kontaktstellen bezeichnet werden. Jeweilige Sinterhälse weisen dabei beispielsweise Radien lediglich im Größenbereich von Nanometern auf. Ab einem Grad der Sinterhalsbildung von größer gleich 0,3 handelt es sich üblicherweise um einen mechanisch belastbaren Sinterverbund. Bei dem Radius des Sinterhalses und auch bei dem Teilchenradius handelt es sich um technische Durchschnittswerte. Nicht alle Teilchen des pulverförmigen Füllmaterials weisen den gleichen Radius auf und auch nicht alle Sinterhälse werden den gleichen Radius haben.
Bei der Bestimmung des gewünschten Grads der Sinterhalsbildung des Füllmaterials für eine Kapsel, wodurch ein Bauteil insgesamt besonders kostengünstig herstellbar ist, sind zwei gegenläufige Effekte zu beachten. Je größer der Grad der Sinterhalsbildung ist, desto stärkere Kräfte können auf das Füllmaterial wirken, ohne dass es dabei zu einer unerwünschten lokalen Dichteänderung des Füllmaterials und/oder Separation von Pulverfraktionen kommen kann. Das heißt, bei einem besonders hohen Grad der Sinterhalsbildung ist die Kapsel besonders robust für einen Transport. Dem entgegen steht jedoch der Effekt, dass das Bauteil bei dem heiß-isostatischen Pressen besonders gut verfestigt werden kann, wenn der Grad der Sinterhalsbildung besonders klein ist. Entsprechend kann bei einem besonders geringen gewählten Grad der Sinterhalsbildung ein strukturell besonders stark belastbares Bauteil aus der Kapsel erzeugt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Herstellung der Außenhaut der Kapsel und das Befüllen mit dem Füllmaterial gemeinsam schichtweise erfolgt, wobei jede Schicht des Füllmaterials bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird, bevor die nächste Schicht erzeugt wird. Dadurch kann ein Pulvermaterial zum Herstellen der Außenhaut, welches auch als Außenhautmaterial bezeichnet werden kann, und das Füllmaterial gemeinsam mittels einer einzigen Rakel und/oder Walze aufgetragen werden. Da das Füllmaterial bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird, bevor die Kapsel geschlossen wird, ist zudem eine Prozessüberwachung besonders einfach möglich. Außerdem wird so jede Schicht des Füllmaterials durch das Sintern bis zum Beginn der Sinterhalsbildung in seiner Lage weitestgehend so fixiert, dass es nicht zu einer Veränderung der lokalen Dichte und/oder Separation der Pulverfraktion durch Auftragen der nächsten Pulverschicht des Füllmaterials kommen kann. Dadurch ist das Herstellen einer qualitativ hochwertigen Kapsel möglich, wodurch ein aus dieser Kapsel hergestelltes Bauteil besonders wenig oder gar nicht nachbearbeitet werden muss. Das Bauteil ist so sehr kostengünstig herstellbar.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Außenhaut der Kapsel mittels mindestens eines Elektronenstrahls oder Laserstrahls durch Schmelzen und/oder Sintern eines pulverförmigen Außenhautmaterials hergestellt wird und das Füllmaterial mittels des Elektronenstrahls oder Laserstrahls ebenfalls bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird. Dadurch kann dieselbe Vorrichtung, mittels welcher die Außenhaut generativ hergestellt wird, dazu genutzt werden, um auch das Füllmaterial bis zum Beginn der Sinterhalsbildung zu sintern. Die Vorrichtung zum generativen Herstellen muss also nicht für das Sintern des Füllmaterials bis zum Beginn der Sinterhalsbildung modifiziert werden. Bereits bestehende Anlagen können ohne weiteres für das hier beschriebene Verfahren genutzt werden. Außerdem ist so kein Wechsel zwischen zwei verschiedenen Vorrichtungen zum Herstellen der Außenhaut und zum Sintern des Füllmaterials bis zum Beginn der Sinterhalsbildung notwendig. Ein solcher Wechsel könnte anderenfalls durch ein damit verbundenes Bewegen der Kapsel zu einer Separation der Pulverfraktion und/oder einer lokalen Dichteänderung des Füllmaterials führen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial gesintert wird, indem der Elektronenstrahl oder Laserstrahl dafür gegenüber der Herstellung der Außenhaut mit einer geringeren Leistung bereitgestellt wird, defokussiert wird und/oder mit einer größeren Überstreichgeschwindigkeit über das Füllmaterial geführt wird. Der Elektronenstrahl oder Laserstrahl schmilzt das Füllmaterial vorzugsweise nicht auf beziehungsweise erhitzt das Füllmaterial nicht so weit, bis dieses schmilzt. Mittels des Elektronenstrahls oder Laserstrahls wird ein geringerer Energieeintrag in das Füllmaterial pro Fläche als in die Außenhaut bewirkt. Wird der Laserstrahl oder Elektronenstrahl mit geringerer Leistung bereitgestellt, ist der Energieverbrauch der Anlage zum Herstellen der Kapsel besonders gering. Durch Defokussieren des Elektronenstrahls oder Laserstrahls kann dessen Energieeintrag in das Füllmaterial reduziert werden, ohne dass dafür eine Steuerung und/oder Regelung der Leistungsabgabe einer Strahlerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden muss. Zudem kann so eine größere Fläche gleichzeitig bestrahlt werden, wodurch die Kapsel besonders schnell hergestellt werden kann. Durch eine größere Überstreichgeschwindigkeit kann das Füllmaterial besonders schnell gesintert werden und die Kapsel somit besonders schnell hergestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial lokal unterschiedlich stark gesintert wird. Dadurch ist bzw. sind eine lokal beziehungsweise räumlich unterschiedlich große Dichte und/oder unterschiedliche Gerade der Sinterhalsbildung des Füllmaterials einstellbar. So kann zudem besonders einfach eine lokal gezielt ungleichmäßige Verteilung des Füllmaterials vorgesehen werden. Insgesamt ist es so besonders gut möglich, einen Einfluss auf das Verhalten der Kapsel bei dem heiß-isostatischen Pressen zu nehmen. Insbesondere kann durch lokal unterschiedlich starke Sinterung des Füllmaterials ein lokal unterschiedlicher Schrumpf der Kapsel bei dem heiß-isostatischen Pressen eingestellt werden. Dadurch kann das aus der Kapsel mit dem heiß-isostatischen Pressen erzeugte Bauteil besonders endkonturnah gepresst werden. Außerdem kann eine lokal unterschiedliche Festigkeit des fertigen Bauteils durch lokal unterschiedlich starkes Sintern des Füllmaterials vorgesehen werden.
Damit kann auch auf eine variable Dicke der Außenhaut der Kapsel verzichtet werden, um einen lokal unterschiedlichen Schrumpf beim heiß-isostatischen Pressen vorzusehen. Dies ermöglicht ein besonders endkonturnahes Pressen der Kapsel bei einer gleichmäßig dicken Außenhaut. Dadurch sind die Eigenschaften der Außenhaut, insbesondere deren Festigkeit, besonders homogen. Außerdem kann die Kapsel so besonders schnell hergestellt werden, da keine sehr zeitintensive lokale Aufdickung der Außenhaut bei deren generativen Herstellung vorgesehen werden muss.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das pulverförmige Außenhautmaterial und das pulverförmige Füllmaterial aus dem gleichen Material bestehen. Damit kann beispielsweise jede Schicht der Kapsel gemeinsam durch eine auf einen Bauplattform aufgebrachte Pulverschicht erzeugt werden, indem aus dieser Schicht durch den Laserstrahl oder Elektronenstrahl sowohl die Außenhaut hergestellt wird als auch das Füllmaterial bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird. Dadurch ist die Herstellung der Kapsel besonders kostengünstig und/oder schnell. Außerdem kann so eine Kapsel und/oder ein Bauteil mit einem besonders homogenen Material erzeugt werden. Zudem kann es nicht ungewollterweise zu einer Vermischung verschiedener Pulver in einem Kontaktbereich des Füllmaterials mit dem Außenhautmaterial kommen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das pulverförmige Außenhautmaterial und/oder das pulverförmige Füllmaterial aus einer Mischung von zumindest Titan und Aluminium bestehen. Dabei kann es sich um eine Mischung von Titanpulver und Aluminiumpulver beziehungsweise Titankörnern und Aluminiumkörnern handeln. Es kann sich aber auch um eine Titan-Aluminiumlegierung handeln, welche als pulverförmiges Material zur Verfügung gestellt wird. Das pulverförmige Füllmaterial kann also als eine Mischung eine Titan-Aluminiumlegierung umfassen und/oder eine Mischung von zwei Pulvern, wobei das eine Pulver aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und das andere Pulver aus Titan oder einer Titanlegierung. Dazu gehören beispielsweise auch sogenannte Titanaluminide und/oder Legierungen, welche neben Titan und Aluminium zusätzliche Elemente wie beispielsweise Niob, Molybdän und/oder Bor enthalten. Dies wird auch als höher legiertes System bezeichnet. Generell können die Legierungen auch noch weitere Elemente umfassen. Eine Mischung von zumindest Titan und Aluminium eignet sich insbesondere dafür, besonders feste, leichte und/oder besonders temperaturbeständige Bauteile herzustellen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das generative Herstellen der Außenhaut der Kapsel und/oder das Befüllen der Kapsel mit dem losen Füllmaterial unter Vakuum erfolgt. Dadurch kann insbesondere eine Oxidation des pulverförmigen Außenhautmaterials und/oder des pulverförmigen Füllmaterials verhindert werden. Außerdem kann es nicht zu einer ungewollten Sauerstoffkontamination der Außenhaut und/oder des Füllmaterials kommen. Bei dem Vakuum handelt es sich um ein technisches Vakuum, welches vorzugsweise auch dem gewünschten Unterdruck in dem Innenraum der Kapsel entspricht. Dann muss der Unterdruck im Innenraum nicht zusätzlich erzeugt werden. Der Unterdruck entsteht dann automatisch durch das generative Aufbauen und Schließen der Kapsel. Durch die Herstellung der Außenhaut und/oder das Befüllen der Kapsel mit dem losen Füllmaterial unter Vakuum ist die Kapsel dann also bereits bei deren Herstellung evakuiert. Durch das nachträgliche Erzeugen von Unterdruck in dem Innenraum der Kapsel könnte es andernfalls zu einer unerwünschten lokalen Dichteänderung bei deren pulverförmiger Füllung kommen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Außenhaut der Kapsel mit unterschiedlichen Wandstärken aufgebaut wird. Durch lokal beziehungsweise räumlich unterschiedliche Wandstärken der Außenhaut kann ein lokal beziehungsweise räumlich unterschiedlicher Schrumpf der Kapsel bei dem heiß-isostatischen Pressen vorgesehen werden. Dadurch ist eine besonders endkonturnahe Herstellung eines Bauteils aus der Kapsel durch heiß-isostatisches Pressen möglich, insbesondere auch bei besonders komplexen Bauteilgeometrien. Der Effekt des lokal beziehungsweise räumlich unterschiedlich starken Schrumpfes kann durch lokal unterschiedlich starkes Sintern des Füllmaterials noch verstärkt werden. Dadurch kann ein besonders starker und/oder besonders schwacher Schrumpf in lokalen Teilbereichen der Kapsel bei dem heiß-isostatischen Pressen vorgesehen werden. Insbesondere durch die Kombination des lokal unterschiedlich starken Sinterns und die lokal unterschiedliche Wandstärke der Außenhaut der Kapsel kann ein Schrumpf beim HIPen erzielt werden, welcher bei einer Außenhaut, die immer noch eine genügend große Wandstärke aufweist, um gasdicht zu sein, alleine nicht möglich ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der gemäß dem ersten Erfindungsaspekt hergestellten Kapsel zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Dazu wird die Kapsel heiß-isostatisch gepresst, wobei das Füllmaterial gemeinsam mit der Außenhaut zu dem Bauteil urgeformt wird. Üblicherweise wird die Kapsel bei Temperaturen bis zu 2000 Grad Celsius und Drücken von bis zu 200 Megapascal unter Schutzgas verdichtet. Ein Gasdruck wirkt dabei so auf die Kapsel, dass das daraus resultierende Bauteil isotrope Eigenschaften erhält. Das so hergestellte Bauteil kann besonders dicht sein und eine besonders hohe Festigkeit aufweisen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung der Kapsel ist es vorgesehen, dass das Bauteil durch das heiß-isostatische Pressen wenigstens in Teilbereichen seine Endkontur erreicht. Dadurch kann wenigstens in diesen Teilbereichen auf eine Nachbearbeitung des Bauteils verzichtet werden, wodurch dieses besonders kostengünstig herstellbar ist.
Die sich aus dem Verfahren zur Herstellung der Kapsel gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk. Erfindungsgemäß ist dieses Bauteil durch das vorher beschriebene Verfahren zur Herstellung der Kapsel für das heiß-isostatische Pressen und/oder durch die Verwendung der nach diesem Verfahren hergestellten Kapsel bei einem heiß-isostatischen Pressen nach dem zweiten Erfindungsaspekt gekennzeichnet. Die sich aus dem Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder aus der Verwendung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und/oder des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgenden in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die einzige Figur veranschaulicht in einer schematischen Schnittansicht ein Verfahren zum Herstellen einer Kapsel für ein heiß-isostatisches Pressen.
Die Figur zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung 10 zum generativen Herstellen einer Kapsel 12 für ein heiß-isostatisches Pressen. Dazu umfasst die Vorrichtung 10 ein Gehäuse 38. Innerhalb dieses Gehäuses 38 ist eine Strahlerzeugungsvorrichtung 14 vorgesehen, mittels welcher ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl erzeugbar ist. Der Elektronenstrahl oder Laserstrahl 16 ist dabei in der Figur durch die gestrichelte Linie dargestellt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Pulververteilungsvorrichtung 18 mit einem daran befestigten Rakel 20. Mittels der Pulververteilungsvorrichtung 18 und des Rakels 20 werden Pulverschichten 22 auf einen Bauplattform 24 aufgetragen. Mittels einer Ablenkvorrichtung 26, welche beispielsweise als beweglicher Spiegel ausgebildet ist, wird der Laser- oder Elektronenstrahl 16 auf die Pulverschicht 22 zum lokalen Aufschmelzen und/oder Sintern dieser Pulverschicht 22 gelenkt.
Dadurch kann aus der Pulverschicht 22 eine Außenhaut 28 der Kapsel 12 generativ hergestellt werden. Nachdem eine Schicht der Außenhaut 28 hergestellt wurde, wird der Bauplattform 24 durch eine Verstellvorrichtung 40 nach unten gefahren und eine weitere Pulverschicht 22 mittels der Pulververteilungsvorrichtung 18 und des Rakels 20 aufgetragen. So kann schichtweise die Außenhaut 28 der Kapsel 12 hergestellt werden. Mit der letzten Schicht wird dann die Kapsel 12 geschlossen werden, wodurch sich dann ein abgeschlossener Innenraum 32 in der Kapsel 12 ergibt. Dabei ist die Kapsel 12 wenigstens teilweise mit einem pulverförmigen Füllmaterial 30 gefüllt. Dieses Füllmaterial 30 entspricht im Wesentlichen zunächst einem Teil der Pulverschicht 22, welche mittels der Pulververteilungsvorrichtung 18 und mittels des Rakels 20 bei dem Auftragen der Pulverschicht 22 in dem Innenraum 32 der Kapsel 12 verteilt wurde.
Außerdem wird in dem Gehäuse 38 der Vorrichtung 10 durch eine Absaugvorrichtung 34 ein Unterdruck erzeugt, welcher auch als Vakuum bezeichnet werden kann. Dieser Unterdruck entspricht beispielsweise einem Druck von 10^–5 Millibar. Durch diesen Innendruck in dem Gehäuse 38 der Vorrichtung 10 wird auch ein Unterdruck in dem Innenraum 32 der Kapsel 12 erzeugt. Die Außenhaut 28 der Kapsel 12 ist dabei wenigstens so gasdicht, dass dieser Unterdruck wenigstens teilweise bis zu einer weiteren Verarbeitung der Kapsel 12 aufrechterhalten werden kann.
Nachdem die Kapsel 12 durch das Verschließen der Außenhaut 28 fertiggestellt wurde, wird diese zu einer weiteren Vorrichtung für ein heiß-isostatisches Pressen transportiert. Durch das heiß-isostatische Pressen der unter Unterdruck stehenden Kapsel 12 wird das darin befindliche Füllmaterial 30 gemeinsam mit der Außenhaut 28 zu einem dichten Formkörper verdichtet. Dadurch schrumpft die Kapsel 12 und ein Bauteil wird erzeugt. Dabei wird der Schrumpf der Kapsel 12 vorzugsweise so berücksichtigt, dass eine besonders endkonturnahe Geometrie erzeugt wird. Dadurch muss das so erzeugte Bauteil besonders wenig durch beispielsweise Schleifen und/oder Fräsen nachbearbeitet werden, bevor es eingesetzt werden kann.
Durch den Transport der Kapsel 12 von der Vorrichtung 10 zu der Vorrichtung für das heiß-isostatische Pressen kann es zu lokalen Dichteunterschieden in dem Füllmaterial 30 kommen. Insbesondere kann es auch zu einer Separation jeweiliger Pulverfraktionen kommen, beispielsweise durch den sogenannten Paranuss- beziehungsweise Müslieffekt. Beispielsweise können sich durch Vibrationen größere Körner des pulverförmigen Füllmaterials 30 nach oben innerhalb der Kapsel 12 aufschwimmen. Oben ist dabei durch die von der Schwerkraft wegweisende Seite der Kapsel 12 während eines Transports und/oder Lagerung der Kapsel 12 definiert ist. Durch Vibration und andere Kräfte kann es auch zu einer lokalen Verdichtung des Füllmaterials 30 kommen und damit beispielsweise auch zu jeweiligen Freiräumen in einem Bereich des Innenraums 32 der Kapsel 12. Dadurch kann es während des heiß-isostatischen Pressens der Kapsel 12 zu einem ungleichmäßigen und/oder gegenüber dem vorgesehenen Schrumpf zu starken oder zu schwachem Schrumpf kommen. Dadurch kann eine besonders aufwändige Nachbearbeitung des Bauteils notwendig sein, wodurch die Herstellungskosten besonders hoch sind. Insbesondere kann es auch notwendig sein, ein jeweiliges Aufmaß bei der Kapsel 12 vorzusehen, um Schwankungen bei dem Schrumpf bei der Nachbearbeitung immer noch ausgleichen zu können. Ebenso ist es dann möglich, dass ein besonders großer Ausschuss hergestellt wird. Insgesamt sind die Herstellungskosten, Materialkosten und/oder die Herstellungszeit so besonders hoch.
Daher ist vorgesehen, das pulverförmige Füllmaterial 30 bis zu einem Beginn einer Sinterhalsbildung des pulverförmigen Füllmaterials 30 zu sintern. Bei der Sinterhalsbildung bildet sich ausgehend von einem initialen granularen Pulver über Oberflächendiffusion zwischen jeweiligen Partikeln Sinterhälse, die zur Verfestigung und Verdichtung des Pulvermaterials führen. Es kommt also zu einer metallurgischen Festkörperverbindung wenigstens jeweiliger einzelner Partikel des pulverförmigen Füllmaterials 30 miteinander, ohne dass dieses jedoch dabei aufgeschmolzen wird. Dadurch sind die einzelnen Partikel des pulverförmigen Füllmaterials 30 in ihrer Lage in dem Innenraum 32 der Kapsel 12 wenigstens so weit festgelegt, dass es nicht zu dem oben beschriebenen ungewollten Effekten bei dem Transport der Kapsel 12 von der Vorrichtung 10 zu der Anlage für das heiß-isostatische Pressen kommt. Dadurch sind Kapseln 12 mit besonders reproduzierbarem Schrumpf herstellbar. Das daraus produzierbare Bauteil weist eine besonders hohe Qualität auf und muss insbesondere besonders wenig nachbearbeitet werden. Dadurch sind die Herstellungskosten besonders gering. Außerdem kann gegebenenfalls auf eine besonders aufwändige Prozessüberwachung des Schrumpfes bei dem heiß-isostatischen Pressen verzichtet werden.
Der Beginn der Sinterhalsbildung wird durch ein Verhältnis von einem Radius eines Sinterhalses zu einem Teilchenradius des pulverförmigen Füllmaterials 30 definiert. Beispielsweise kann ein Verhältnis von weniger als 0,01, insbesondere weniger als 0,0001, bereits ausreichend sein. Dafür kann das pulverförmige Füllmaterial für eine vorbestimmte Zeitdauer beispielsweise auf bis zu 1190 Grad Celsius erwärmt werden. Je geringer dabei dieses als Grad der Sinterhalsbildung bezeichnetes Verhältnis ist, desto besser lässt sich die Kapsel 12 bei dem heiß-isostatischen Pressen verdichten. Der Radius des Sinterhalses kann dabei wenige Nanometern betragen.
Das pulverförmige Füllmaterial 30 wird beispielsweise mittels des Elektronen- oder Laserstrahls 16 gesintert, mittels welchem auch die Außenhaut 28 der Kapsel 12 generativ aus der Pulverschicht 22 hergestellt wird. Dazu kann der Laser- oder Elektronenstrahl 16 beispielsweise mittels der Fokussiervorrichtung 36 defokussiert werden, um einen geringeren Energieeintrag pro Fläche in das Füllmaterial 30 als in die Außenhaut 28 zu bewirken und gleichzeitig auf eine größere Fläche Energie zu übertragen. Alternativ kann das Füllmaterial 30 auch mit einer größeren Überstreichgeschwindigkeit mittels der Ablenkvorrichtung 26 mit dem Elektronen- oder Laserstrahl 16 erhitzt werden als die Außenhaut 28. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der Strahlerzeugungsvorrichtung 14 auch ein Elektronen- oder Laserstrahl für das Sintern des Füllmaterials 30 bis zu dem Beginn der Sinterhalsbildung mit geringerer Energie beziehungsweise Leistung bereitgestellt werden als zur Erzeugung der Außenhaut 28.
Mittels des Elektronen- oder Laserstrahls 16 wird beispielsweise die Pulverschicht 22 im Bereich des Füllmaterials 30 beziehungsweise des Innenraums 32 der Kapsel 12 auf Temperaturen von 900 bis 1100 Grad Celsius vorgeheizt. Der notwendige Energieeintrag in das Füllmaterial 30 wird dabei durch den gewünschten Grad der Sinterhalsbildung und auch das verwendete Material bestimmt.
Weiterhin ist es möglich, das Füllmaterial 30 lokal unterschiedlich stark zu sintern. Beispielsweise kann bei einer Schicht des Füllmaterials 30 ein höherer Grad der Sinterhalsbildung vorgesehen werden als bei einer anderen Schicht. Dadurch wird die Kapsel 12 bei dem heiß-isostatischen Pressen in den Bereich des Füllmaterials 30 mit höherem Grad der Sinterhalsbildung weniger schrumpfen als in einem Bereich mit einem geringeren Grad der Sinterhalsbildung. Dadurch können lokal unterschiedlich starke Schrümpfe der Kapsel 12 beim heiß-isostatischen Pressen vorgesehen werden. Dadurch kann aus der Kapsel 12 ein besonders endkonturnahes Bauteil erzeugt werden. Dabei kann dann auch eine Kapsel 12 mit einer kontinuierlichen Wandstärke der Außenhaut 28 vorgesehen werden. Dadurch kann diese Außenhaut 28 besonders schnell und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann so auch besonders gut sichergestellt werden, dass die Außenhaut 28 überall zu gleichen Maßen gasdicht ist.
Bei dem verwendeten Pulvermaterial handelt es sich beispielsweise um eine Mischung von wenigstens Titan und Aluminium oder auch um eine Titan-Aluminiumlegierung. Weitere Beispiele für das Pulvermaterial sind Titanaluminide und/oder Titan-Aluminiumlegierungen, welche Niob, Molybdän und/oder Bor enthalten. Dies wird auch als höher legiertes System bezeichnet. Damit ist ein besonders hoch belastbares, temperaturunempfindliches und/oder leichtes Bauteil herstellbar. Entsprechend eignet sich dieses Pulvermaterial insbesondere für Anwendungen bei Flugtriebwerken. Aus der in der Figur gezeigten Kapsel 12 wird beispielsweise eine Turbinenschaufel eines Flugtriebwerks hergestellt. Dadurch, dass die Kapsel 12 unter Vakuum hergestellt wird, kann eine Kontamination der Kapsel 12 mit Sauerstoff und/oder eine ungewollte Oxidation des Pulvermaterials verhindert werden. Dadurch können auch gröbere Pulverfraktionen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Kapsel
14: Strahlerzeugungsvorrichtung
16: Laserstrahl
18: Pulververteilungsvorrichtung
20: Rakel
22: Pulverschicht
24: Bauplattform
26: Ablenkvorrichtung
28: Außenhaut
30: Füllmaterial
32: Innenraum
34: Absaugvorrichtung
36: Fokussiervorrichtung
38: Gehäuse
40: Verstellvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2551040 A1 [0002]
EP 1878522 A1 [0003]
WO 2013/092123 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Kapsel (12) für ein heiß-isostatisches Pressen umfassend zumindest die folgenden Schritte: – Generatives Herstellen einer Außenhaut (28) einer geschlossenen Kapsel (12), wobei die Kapsel (12) wenigstens teilweise mit einem pulverförmigen Füllmaterial (30) gefüllt wird und ein Unterdruck in einem Innenraum (32) der Kapsel (12) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das pulverförmigen Füllmaterial (30) bis zu einem Beginn einer Sinterhalsbildung des pulverförmigen Füllmaterials (30) gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Sinterhalsbildung durch ein Verhältnis von einem Radius eines Sinterhalses zu einem Teilchenradius des pulverförmigen Füllmaterials (30) von weniger als 0,5, insbesondere weniger als 0,005 definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Außenhaut (28) der Kapsel (12) und das Befüllen mit dem Füllmaterial (30) gemeinsam schichtweise erfolgt, wobei jede Schicht des Füllmaterials (30) bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird bevor die nächste Schicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (28) der Kapsel (12) mittels mindestens eines Elektronenstrahls oder Laserstrahls (16) durch Schmelzen und/oder Sintern eines pulverförmigen Außenhautmaterials hergestellt wird und das Füllmaterial (30) mittels des Elektronenstrahls oder Laserstrahls (16) ebenfalls bis zum Beginn der Sinterhalsbildung gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (30) gesintert wird, indem der Elektronenstrahl oder Laserstrahl (16) im Vergleich zu der Herstellung der Außenhaut (28) mit einer geringeren Leistung bereitgestellt wird, defokussiert wird und/oder mit einer größeren Überstreichgeschwindigkeit über das Füllmaterial (30) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (30) lokal unterschiedlich stark gesintert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Außenhautmaterial und das pulverförmige Füllmaterial (30) aus dem gleichen Material bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Außenhautmaterial und/oder das pulverförmige Füllmaterial (30) aus einer Mischung von zumindest Titan und Aluminium bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Herstellen der Außenhaut der Kapsel (12) und/oder das Befüllen der Kapsel (12) mit dem losen Füllmaterial (30) unter Vakuum erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (28) der Kapsel (12) mit unterschiedlichen Wandstärken aufgebaut wird.
Verwendung einer nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Kapsel (12) zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mittels heiß-isostatischem Pressen der Kapsel (12), wobei das Füllmaterial (30) gemeinsam mit der Außenhaut (28) zu dem Bauteil urgeformt wird.
Verwendung der Kapsel (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch das heiß-isostatische Pressen wenigstens in Teilbereichen seine Endkontur erreicht.
Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.