CH705662A1 - Prozess zur Herstellung von Gegenständen aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM). - Google Patents

Prozess zur Herstellung von Gegenständen aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM). Download PDF

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CH705662A1
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Abstract

Ein Prozess zur Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen, die aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM) gefertigt werden, umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer SLM-Vorrichtung (10) mit einer SLM-Steuereinheit (19); b) Bereitstellen eines dreidimensionalen Scheibenmodells (SM) des Gegenstands mit berechneten Querschnitten, das in die SLM-Steuereinheit (19) übertragen und darin gespeichert wird; c) Herstellen von Pulver des durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Legierungsmaterials auf Nickelbasis, das für den SLM-Prozess benötigt wird; d) Herstellen einer Pulverschicht (18) mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke auf einer Substratplatte (13) der SLM-Vorrichtung (10) oder auf einer vorher verarbeiteten Pulverschicht (14); e) Schmelzen der hergestellten Pulverschicht (18) durch Abtasten eines Bereichs, der einem Querschnitt des Gegenstands gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) entspricht, das in der Steuereinheit (19) gespeichert ist, mit einem fokussierten Laserstrahl (17); f) Reduzieren der Substratplatte (13) um eine Schichtdicke; g) Wiederholen der Schritte d) bis f), bis der letzte Querschnitt gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) erreicht wird; wobei für den Schmelzschritt e) die Laserleistung, der Fokusdurchmesser (d) des Brennflecks (20) und die Abtastgeschwindigkeit des fokussierten Laserstrahls (17) so angepasst werden, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie des Herstellens von dreidimensionalen Gegenständen durch selektives Laserschmelzen (SLM). Sie betrifft einen Prozess zur Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen, die aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM) gefertigt werden.
STAND DER TECHNIK
[0002] Durch Gamma-Prime (y’)-Ausscheidung verfestigte Superlegierungen auf Nickelbasis sind aufgrund ihrer Mikrorissanfälligkeit bekanntlich sehr schwer zu schweissen. Während des Schweissprozesses treten Erstarrungsrissbildung und Korngrenzen- Aufschmelzrisse auf, während Wärmebehandlungen nach dem Schweissen häufig zu Spannungs-Anlassrissigkeit in durch Gamma-Prime Ni3(AI, Ti)-Ausscheidung verfestigten Legierungen führen. Daher können bis heute in erster Linie nur durch feste Lösung verfestigte (z. B. IN625) oder Gamma-Prime-verfestigte Superlegierungen auf Nickelbasis mit einem niedrigen Al- und Ti-Gehalt (z. B. In718) durch SLM verarbeitet werden.
[0003] Bei einem üblichen Ansatz zur Verarbeitung von schwer zu schweissenden durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierungen auf Nickelbasis wird ein Pulverbett auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, um Restspannungen zu verringern, die aus dem Schweissprozess resultieren. Aber bevor die fertiggestellten Teile aus dem Pulverbett entfernt werden können, muss es auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit von Pulverbetten dauert das Erwärmen und Abkühlen des Pulverbetts sehr lange, was zu einer erheblichen Senkung der Produktivität des SLM-Prozesses führt. Ausserdem sind teure Beheizungseinrichtungen und Isolation sowie Anpassung der Prozesskammer erforderlich.
[0004] Die folgende Fachliteratur bezieht sich auf diese Technologien und Probleme: (1) Kelbassa, I., et al. Manufacture and repair of aero engine components using laser technology. in Proceedings of the 3rd Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics. 2008. (2) Mumtaz, K. und N. Hopkinson, Top surface and side roughness of Inconel 625 parts processed using selective laser melting. Rapid Prototyping Journal, 2009. 15(2): S. 96-103. (3) Mumtaz, K. und N. Hopkinson, Laser melting functionally graded composition of Waspaloy® and Zirconia powders. Journal of Materials Science, 2007. 42(18): S. 7647-7656. (4) Mumtaz, K. A., P. Erasenthiran, und N. Hopkinson, High density selective laser melting of Waspaloy®. Journal of Materials Processing Technology, 2008. 195(1-3): S. 77-87. (5) Sehrt, J.T. und G. Witt, Entwicklung einer Verfahrenssystematik bei der Qualifizierung neuer Werkstoffe für das Strahlschmelzverfahren. 2010. Veröffentlichung von Versuchen zur Verarbeitung von schwer zu schweissenden durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superliegerungen auf Ni-Basis.
[0005] Ausserdem offenbart das Dokument US 6 215 093 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäss dreidimensionalen CAD-Daten eines Modells eines Formkörpers durch Aufbringen von Schichten eines metallischen Materials in Pulverform. Mehrere Schichten Pulver werden sukzessiv übereinander aufgebracht, wobei jede Pulverschicht durch einen fokussierten Laserstrahl, der auf einen bestimmten Bereich angewendet wird, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, vor dem Aufbringen der nächsten Schicht auf eine spezifische Temperatur erwärmt wird. Der Laserstrahl wird gemäss den CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnittsbereich des Modells derart über jede Pulverschicht geführt, dass jede Pulverschicht an der Schicht unter ihr fixiert wird. Insbesondere wird das metallische Material in Pulverform in der Form eines Metallpulvers ohne Binde-und Flussmittel aufgebracht, so dass es durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur erwärmt wird, dass die Energie des Laserstrahls derart gewählt wird, dass die Metallpulverschicht am Auftreffpunkt des Laserstrahls durchgehend vollständig geschmolzen wird, dass der Laserstrahl in mehreren Durchläufen derart über den spezifizierten Bereich des Pulvers geführt wird, dass jeder Durchlauf des Laserstrahls den vorhergehenden Durchlauf teilweise überlappt, und dass eine Schutzgasatmosphäre über der Wechselwirkungszone des Laserstrahls und des Metallpulvers aufrechterhalten wird.
[0006] Das Dokument DE 10 104 732 C1 lehrt eine Einrichtung zum selektiven Laserschmelzen von metallischen Materialien, die eine Heizplatte umfasst, die auf einer Plattform mit Seitenwänden angeordnet ist. Die Heizplatte ist so strukturiert, dass eine Isolierschicht thermisch von der Plattform isoliert ist, so dass während des Betriebs Temperaturen von 500 °C erreicht werden können. Vorzugsweise ist die Heizplatte als eine Substratplatte ausgebildet und weist integrierte Heizdrähte auf. Eine Induktionseinheit ist zur induktiven Erwärmung der Heizplatte vorgesehen.
[0007] Das Dokument US 6 621 039 B2 offenbart eine computergesteuerte Vorrichtung und ein computergesteuertes Verfahren zur Herstellung von Metallteilen durch Laserschmelzen von ausgewählten Regionen von Metallpulverschichten in einem Zielbereich. Das System umfasst Einrichtungen zum Vorwärmen und Aufrechterhalten einer verhältnismässig hohen Temperatur, z.B. 400 °C, des Metallpulvers, damit sich das Metallpulver bei einer verhältnismässig niedrigen Laserleistung, z.B. einem C02-Laser mit 200 W, verbindet. Das Metallpulver wird entweder an einem Ausgabezylinder oder im Zielbereich durch Wärmeleitung vorgewärmt und/oder ausserdem durch eine Heizplatte, die über der Plattform positioniert ist, durch Strahlung erwärmt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0008] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prozess zur Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen bereitzustellen, die aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM) gefertigt werden.
[0009] Diese Aufgabe wird durch einen Prozess gemäss Anspruch 1 erreicht.
[0010] Gemäss der Erfindung umfasst ein Prozess zur Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen, die aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM) gefertigt werden, die folgenden Schritte: <tb>a)<sep>Bereitstellen einer SLM-Vorrichtung mit einer SLM-Steuereinheit; <tb>b)<sep>Bereitstellen eines dreidimensionalen Scheibenmodells des Gegenstands mit berechneten Querschnitten, das in die SLM-Steuereinheit übertragen und darin gespeichert wird; <tb>c)<sep>Herstellen von Pulver des durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Legierungsmaterials auf Nickelbasis, das für den SLM-Prozess benötigt wird; <tb>d)<sep>Herstellen einer Pulverschicht mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke auf einer Substratplatte der SLM-Vorrichtung oder auf einer vorher verarbeiteten Pulverschicht; <tb>e)<sep>Schmelzen der hergestellten Pulverschicht durch Abtasten eines Bereichs, der einem Querschnitt des Gegenstands gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell entspricht, das in der Steuereinheit gespeichert ist, mit einem fokussierten Laserstrahl; <tb>f)<sep>Reduzieren der Substratplatte um eine Schichtdicke; <tb>g)<sep>Wiederholen der Schritte d) bis f), bis der letzte Querschnitt gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell erreicht wird;wobei für den Schmelzschritt e) die Laserleistung, der Fokusdurchmesser des Brennflecks und die Abtastgeschwindigkeit des fokussierten Laserstrahls so angepasst werden, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.
[0011] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird für den Schmelzschritt e) eine Laserquelle in gepulstem Modus verwendet, und die Pulsfrequenz wird so angepasst, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.
[0012] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Laserleistung, der Fokusdurchmesser des Brennflecks, die Abtastgeschwindigkeit und gegebenenfalls die Pulsfrequenz des fokussierten Laserstrahls derart angepasst, dass das Wärmeleitschweissen zu einem Aspektverhältnis von Tiefe zu Breite der Schweissraupe führt, das niedriger als 0,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,1 ist.
[0013] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anpassung des Fokusdurchmessers durch Verwenden einer spezifischen Fokussiereinrichtung.
[0014] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anpassung des Fokusdurchmessers durch Verschieben der Substratplatte.
[0015] Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengrössenverteilung des Pulvers in Bezug auf die Dicke der Pulverschicht derart angepasst wird, dass sie zu einer guten Fliessfähigkeit und einer Schüttdichte > 60% führt, die zum Herstellen von Pulverschichten mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke und zum Verringern von Schrumpfungseffekten erforderlich sind.
[0016] Insbesondere wird die genaue Teilchengrössenverteilung durch Siebung und/oder Windtrennung (Windsichtung) erhalten.
[0017] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Pulver durch einen Gaszerstäubungs- oder Plasmarotationselektrodenprozess erhalten.
[0018] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigte Superlegierung auf Nickelbasis aus Folgendem besteht: 3,2-4,2 Gew.-% Al 2,8-3,8 Gew.-% Ti 14,5-17 Gew.-% Cr 7,8-9,0 Gew.-% Co 1,2-1,9 Gew.-% Mo 2,1-3,5 Gew.-% W 1,0-2,0 Gew.-% Ta 0,5-1,5 Gew.-% Nb < 0,15 Gew.-% C < 0,02 Gew.-% B Rest Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen.
[0019] Gemäss einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte d) bis g) in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt.
[0020] Vorzugsweise umfasst die Schutzgasatmosphäre Stickstoff oder Argon oder ein anderes geeignetes Gas, um eine reduzierende Atmosphäre herzustellen.
[0021] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Substratplatte abgekühlt, um Prozesswärme abzuleiten und dadurch die Zeit zu verkürzen, die zur Erstarrung der Schweissraupe erforderlich ist.
[0022] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Schmelzschritt e) ein Vorschmelzschritt ausgeführt, um das Pulver der Pulverschicht locker zusammenzuschmelzen oder vorzusintern, und der Schmelzschritt e) verdichtet danach die Pulverschicht, um einen dichten dreidimensionalen Gegenstand zu erhalten.
[0023] Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmenachbehandlung auf den Gegenstand angewendet wird, um die Mikrostruktur nach dem Aufbau des dreidimensionalen Gegenstands weiter zu optimieren.
[0024] Insbesondere handelt es sich bei der Wärmebehandlung um heiss-isostatisches Pressen (HIP).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0025] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand verschiedener Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher erläutert. <tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematische Darstellung einer SLM-Vorrichtung zum Durchführen des Prozesses der Erfindung; <tb>Fig. 2<sep>stellt in Detailansicht die Parameter des Laserstrahls dar, die im Prozess gemäss der Erfindung verwendet werden; <tb>Fig. 3<sep>stellt ein Beispiel einer rissfreien Mikrostruktur als Ergebnis eines Prozesses gemäss der Erfindung mit klar sichtbaren Schweissraupen mit einem geeigneten Querschnitt bzw. Tiefe-Breite-Verhältnis dar; <tb>Fig. 4, 5<sep>stellen im Gegensatz zu Fig. 3Schweissraupen mit einem ungünstigen Querschnittsverhältnis dar, das zu einer Mikrostruktur mit Erstarrungsrissen führt; und <tb>Fig. 6<sep>stellt eine mögliche Teilchengrössenverteilung eines Pulvers mit guter Fliessfähigkeit und Schüttdichte dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
[0026] Zur Überwindung der zuvor beschriebenen Beschränkungen werden die SLM-Prozessparameter in Bezug auf das einzigartige Materialverhalten der durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierungen angepasst, um die Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen durch selektives Laserschmelzen ohne Aufwärmen des Pulverbetts oder des aufzubauenden Teils zu ermöglichen. Es wurde ausserdem festgestellt, dass die Verwendung von spezifischen Prozesseinrichtungen die Verarbeitbarkeit dieser Materialien weiter verbessert.
[0027] Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung betrifft speziell angepasste Prozessparameter und Prozesseinrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, die aus durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierungen auf Nickelbasis unter Verwendung der Technologie des selektiven Laserschmelzens (SLM) gefertigt werden. Diese Superlegierungen werden durch gesteuerte Wärmebehandlung verfestigt, wobei Ni3(AI, Ti)-Ausscheidungen, die als Gamma-Prime (y’) bekannt sind, oder Ni3Nb, die als Gamma-Doppelprime (y’’) bekannt sind, entstehen. Diese Ausscheidungen führen zu einer besseren Kriech-, Spannungsbruch- und Zugfestigkeit im Vergleich zur früheren Generation von nickelbasierten Legierungen.
[0028] Die Erfindung stellt Prozessparameter bereit und beschreibt geeignete Prozesseinrichtungen zum selektiven Laserschmelzen von durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierungen, die Titan und Aluminium in einer kombinierten Menge von mindestens etwa 5 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 12 Gew.-%, enthalten und Chrom in einer Menge von bis zu etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 17 Gew.-%, enthalten, was zu einem Gamma-Prime-Gehalt von mindestens etwa 25% führt.
[0029] Diese Superlegierungen können auch solche Metalle wie Wolfram, Molybdän, Cobalt und Tantal enthalten, und sie können andere Elemente, wie beispielsweise Kohlenstoff, Bor, Zirconium und Hafnium enthalten. Typische Beispiele dieser durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierungen auf Nickelbasis sind Folgende: Mar-M247, IN100, IN738, IN792, Mar-M200, B1900, RENE 80, Alloy 713 und andere Derivate.
[0030] Das Phänomen der Ausscheidungshärtung und die damit verbundenen Volumenänderungen ermöglichen Rissbildung und machen das Schweissen dieser Superlegierungen sehr schwierig. Insbesondere wird beim Schweissen ein Abschnitt der vorher verarbeiteten Schichten (Wärmeeinflusszone WEZ) in den Temperaturbereich der Ausscheidungshärtung erwärmt und erfährt eine Volumenkontraktion, die bei Erstarrung zu Restspannung in der Schweisskonstruktion führt, die von einem Duktilitätsverlust begleitet wird. Das schnelle Erwärmen und Abkühlen von Schweisstemperaturen, die für den SLM-Prozess kennzeichnend sind, bewirkt eine komplizierte thermische Ausdehnung und Kontraktion, die zu zusätzlicher Restspannung führt. Diese Wärmespannungen können bei Kombination mit früheren Spannungen, die aus der Ausscheidung resultieren, zu Rissbildung während des Schweissprozesses führen.
[0031] Die Rissbildung tritt entweder in der Schweissraupe selbst (Erstarrungsrissbildung) oder innerhalb der WEZ infolge örtlich begrenzten Schmelzens an den Korngrenzen (Korngrenzen-Aufschmelzrisse) auf. Behandlungen durch Lösungsglühen und/oder thermische Alterung nach dem Schweissen, die zur Volumenkontraktion führen, können die Anfälligkeit für Rissbildung (Spannungs-Anlassrissigkeit) weiter erhöhen. Die Schwierigkeit beim Schweissen nimmt im Allgemeinen mit zunehmendem Aluminium- und Titan-Gehalt zu.
[0032] Es wurde festgestellt, dass der SLM-Prozess zu einer sehr homogenen Mikrostruktur mit wenig Seigerungen und feinen Körnern führt. Dies ist in Bezug auf Korngrenzen-Aufschmelzrisse vorteilhaft, da Anfälligkeit für Rissbildung mit zunehmender Korngrösse und erhöhtem Seigerungsanteil zunimmt. Ausserdem wurde festgestellt, dass nach dem SLM-Prozess infolge der charakteristischen hohen Wärmegradienten, die bei Laser-Material-Wechselwirkungen auftreten und die diffusionsgesteuerte Ausscheidung von intermetallischen Phasen verhindern, nur ein sehr geringer Gamma-Prime-Gehalt vorhanden ist. Daher kann die Spannungs-Anlassrissigkeit während des Aufbaus durch SLM vernachlässigt werden, sodass in erster Linie die Erstarrungsrissbildung für den SLM-Prozess von Belang ist.
[0033] Ein grosser Erstarrungsbereich der Legierung, die Seigerung von niedrigschmelzenden Verunreinigungen an der Mittellinie der Schweissraupen sowie Restspannungen sind die Hauptursachen für die Erstarrungsrissbildung. Um den Einfluss von Seigerungen zu minimieren, sind hohe Erstarrungsgeschwindigkeiten und infolgedessen hohe Temperaturgradienten vorteilhaft. Dies kann am besten durch Anpassen der SLM-Parameter erreicht werden, die zu einer Schweissraupe mit einem niedrigen Tiefe-Breite-Verhältnis führen. Aber hohe Temperaturgradienten führen zu hoher Restspannung, weshalb eine optimale Schweissraupengeometrie gefunden werden muss, während das Tiefe-Breite-Verhältnis so niedrig wie möglich sein sollte, um die Herstellung von rissfreien und dichten Gegenständen durch SLM zu ermöglichen.
[0034] Gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst der Prozess die folgenden Schritte: <tb>a)<sep>Bereitstellen einer SLM-Vorrichtung (10) mit einer SLM-Steuereinheit (19); <tb>b)<sep>Bereitstellen eines dreidimensionalen Scheibenmodells (SM) des Gegenstands mit berechneten Querschnitten, das in die SLM-Steuereinheit (19) übertragen und darin gespeichert wird; <tb>c)<sep>Herstellen von Pulver des durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Legierungsmaterials auf Nickelbasis, das für den SLM-Prozess benötigt wird; <tb>d)<sep>Herstellen einer Pulverschicht (18) mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke auf einer Substratplatte (13) der SLM-Vorrichtung (10) oder auf einer vorher verarbeiteten Pulverschicht (14); <tb>e)<sep>Schmelzen der hergestellten Pulverschicht (18) durch Abtasten eines Bereichs, der einem Querschnitt des Gegenstands gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) entspricht, das in der Steuereinheit (19) gespeichert ist, mit einem fokussierten Laserstrahl (17); <tb>f)<sep>Reduzieren der Substratplatte (13) um eine Schichtdicke; <tb>g)<sep>Wiederholen der Schritte d) bis f), bis der letzte Querschnitt gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) erreicht wird;wobei für den Schmelzschritt e) die Laserleistung, der Fokusdurchmesser (d) des Brennflecks (20) und die Abtastgeschwindigkeit des fokussierten Laserstrahls (17) so angepasst werden, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.
[0035] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer SLM-Vorrichtung zum Durchführen des Prozesses der Erfindung. Die SLM-Vorrichtung 10 von Fig. 1 umfasst eine geschlossene Kammer 11, die mit einer Schutzgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff oder Argon, gefüllt sein kann. Innerhalb der Kammer 11 ist eine Substratplattenverschiebungseinheit 12 angeordnet, die in der Lage ist, eine horizontale Substratplatte 13 in vertikaler Richtung zu verschieben. Die Substratplattenverschiebungseinheit 12 wird durch eine zentrale Steuereinheit 19 gesteuert.
[0036] Die Substratplatte 13 wird zum Aufbau eines dreidimensionalen Gegenstands durch sukzessives Schmelzen von verschiedenen Pulverschichten 14, 18 über einem vorbestimmten Bereich gemäss einem Scheibenmodell SM verwendet, das von dem zu erzeugenden Gegenstand erstellt und in der Steuereinheit 19 gespeichert wird. Die Substratplatte 13 kann durch ein Kühlmittel gekühlt werden, das durch einen Kühlmitteleinlass 22 eingeführt wird und die Substratplatte 13 durch einen Kühlmittelauslass 23 verlässt.
[0037] Die oberste Pulverschicht 18 wird durch einen fokussierten Laserstrahl 17 geschmolzen, der aus einer Laserquelle 15 hervorgeht und durch eine Laserstrahl-Fokussier- und -Verschiebungseinheit 16 fokussiert und verschoben wird. Die Laserquelle 15 und die Laserstrahl-Fokussier- und -Verschiebungseinheit 16 werden durch die zentrale Steuereinheit 19 gesteuert.
[0038] Zunächst wird die Teilchengrössenverteilung des zu verwendenden Pulvers an die Schichtdicke der Pulverschichten 14, 18 derart angepasst, dass sie zu einer guten Fliessfähigkeit und einer hohen Schüttdichte (vorzugsweise > 60 %) führt, die zum Herstellen von Pulverschichten mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke und zum Verringern von Schrumpfungseffekten erforderlich sind. Vorzugsweise haben die Pulverteilchen geeigneter Weise eine Kugelform. Die genaue Teilchengrössenverteilung wird durch Siebung und/oder Windtrennung (d.h. Windsichtung) erhalten. Es ist vorteilhaft, das Pulver durch einen Gaszerstäubungs- oder Plasmarotationselektrodenprozess zu erhalten. Fig. 6 stellt eine mögliche und beispielhafte Teilchengrössenverteilung eines Pulvers mit guter Fliessfähigkeit und Schüttdichte für den Prozess der vorliegenden Anmeldung dar.
[0039] Als Laserquelle 15 für den Schmelzschritt wird ein Laser im Dauerstrich- oder gepulsten Modus verwendet. Für den Schmelzschritt werden die Laserleistung, die Pulsfrequenz, der Fokusdurchmesser, die Abtastgeschwindigkeit, die Abtastvektorlänge, der Schraffurabstand und die Abtastinselüberlappung in Bezug auf das spezifische durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigte Material angepasst, um die Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen zu ermöglichen. Vorzugsweise hat die Laserquelle eine geringe Intensität oder ein niedriges Strahlparameterprodukt (SPP).
[0040] Insbesondere werden die Laserleistung, die Pulsfrequenz, der Fokusdurchmesser (d in Fig. 2) und die Abtastgeschwindigkeit so angepasst, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird. Das Wärmeleitschweissen führt vorzugsweise zu einem Aspektverhältnis (Tiefe h/Breite w) der Schweissraupe 21, das niedriger als 0,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,1 ist (siehe Fig. 2). Die Anpassung des Fokusdurchmessers des Brennflecks 20 kann durch Verwenden der Laser-Fokussier- und -Verschiebungseinheit 16 oder durch Verschieben der Pulverschicht aus der Fokalebene mit der Substratplattenverschiebungseinheit 12 erfolgen.
[0041] Eine vorteilhafte Schweissraupengeometrie kann durch Verwenden der folgenden beispielhaften Prozessparameter erreicht werden: <tb>Laserleistung:<sep>50-150 W <tb>Lasermodus:<sep>Dauerstrich (cw - continuous wave) <tb>Abtastgeschwindigkeit:<sep>80-700 mm/s <tb>Schraffurabstand:<sep>0,01-0,5 mm <tb>Fokusdurchmesser:<sep>0,1-0,5 mm
[0042] Fig. 3 stellt ein Beispiel einer rissfreien Mikrostruktur als Ergebnis eines Prozesses gemäss der Erfindung mit klar sichtbaren Schweissraupen mit einem geeigneten Querschnitt bzw. Tiefe-Breite-Verhältnis dar, während Fig. 4und 5 im Gegensatz zu Fig. 3 Beispiele von Schweissraupen mit einem ungünstigen Querschnittsverhältnis darstellen, das zu einer Mikrostruktur mit Erstarrungsrissen führt.
[0043] Es ist vorteilhaft, vor dem Schmelzschritt einen Vorschmelzschritt auszuführen, um das Pulver der Pulverschicht 18 locker zusammenzuschmelzen oder vorzusintern, und der Schmelzschritt verdichtet danach die Pulverschicht, um einen dichten dreidimensionalen Gegenstand zu erhalten.
[0044] Die Prozessschritte d) bis g) werden vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Kammer 11 ausgeführt. Ein Kontingent des Schutzgases besteht aus Wasserstoff oder anderen geeigneten Gasen, um dadurch eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen.
[0045] Vorzugsweise wird die Substratplatte 13 gekühlt, um Prozesswärme abzuleiten und dadurch die Zeit zu verkürzen, die zur Erstarrung der Schmelzraupe 21 erforderlich ist.
[0046] Der Prozess kann verbessert werden, wenn eine Wärmenachbehandlung angewendet wird, um die Mikrostruktur nach dem Aufbau des dreidimensionalen Gegenstands weiter zu optimieren. Insbesondere handelt es sich bei solch einer Wärmebehandlung um heiss-isostatisches Pressen (HIP). Demgemäss werden die Prozessparameter für heiss-isostatisches Pressen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Haltezeit, Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten, an das spezifische durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigte Material angepasst.
[0047] Als ein Beispiel kann eine durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigte Superlegierung auf Nickelbasis, die verarbeitet werden soll, aus Folgendem bestehen: 3,2-4,2 Gew.-% Al 2,8-3,8 Gew.-% Ti 14,5-17Gew.-%Cr 7,8-9,0 Gew.-% Co 1,2-1,9 Gew.-% Mo 2,1-3,5 Gew.-% W 1,0-2,0 Gew.-% Ta 0,5-1,5 Gew.-% Nb <0,15Gew.-%C < 0,02 Gew.-% B Rest Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
[0048] <tb>10<sep>SLM-Vorrichtung <tb>11<sep>Kammer <tb>12<sep>Substratplattenverschiebungseinheit <tb>13<sep>Substratplatte <tb>14<sep>verarbeitete Pulverschicht <tb>15<sep>Laserquelle <tb>16<sep>Laserstrahl-Fokussier- und -Verschiebungseinheit <tb>17<sep>Laserstrahl <tb>18<sep>Pulverschicht (unverarbeitet) <tb>19<sep>Steuereinheit <tb>20<sep>Brennfleck <tb>21<sep>Schweissraupe <tb>22<sep>Kühlmitteleinlass <tb>23<sep>Kühlmittelauslass <tb>d<sep>Fokusdurchmesser <tb>h<sep>Tiefe <tb>w<sep>Breite <tb>SM<sep>Scheibenmodell

Claims (15)

1. Prozess zur Herstellung von rissfreien und dichten dreidimensionalen Gegenständen, die aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM) gefertigt werden, umfassend die folgenden Schritte: <tb>a)<sep>Bereitstellen einer SLM-Vorrichtung (10) mit einer SLM-Steuereinheit (19); <tb>b)<sep>Bereitstellen eines dreidimensionalen Scheibenmodells (SM) des Gegenstands mit berechneten Querschnitten, das in die SLM-Steuereinheit (19) übertragen und darin gespeichert wird; <tb>c)<sep>Herstellen von Pulver des durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Legierungsmaterials auf Nickelbasis, das für den SLM-Prozess benötigt wird; <tb>d)<sep>Herstellen einer Pulverschicht (18) mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke auf einer Substratplatte (13) der SLM-Vorrichtung (10) oder auf einer vorher verarbeiteten Pulverschicht (14); <tb>e)<sep>Schmelzen der hergestellten Pulverschicht (18) durch Abtasten eines Bereichs, der einem Querschnitt des Gegenstands gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) entspricht, das in der Steuereinheit (19) gespeichert ist, mit einem fokussierten Laserstrahl (17); <tb>f)<sep>Reduzieren der Substratplatte (13) um eine Schichtdicke; <tb>g)<sep>Wiederholen der Schritte d) bis f), bis der letzte Querschnitt gemäss dem dreidimensionalen Scheibenmodell (SM) erreicht wird;wobei für den Schmelzschritt e) die Laserleistung, der Fokusdurchmesser (d) des Brennflecks (20) und die Abtastgeschwindigkeit des fokussierten Laserstrahls (17) so angepasst werden, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.
2. Prozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schmelzschritt e) eine Laserquelle (15) in gepulstem Modus verwendet wird und die Pulsfrequenz so angepasst wird, dass Wärmeleitschweissen erhalten wird.
3. Prozess nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung, der Fokusdurchmesser (d) des Brennflecks (20), die Abtastgeschwindigkeit und gegebenenfalls die Pulsfrequenz des fokussierten Laserstrahls (17) derart angepasst werden, dass das Wärmeleitschweissen zu einem Aspektverhältnis von Tiefe (h) zu Breite (w) der Schweissraupe (21) führt, das niedriger als 0,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,1 ist.
4. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Fokusdurchmessers (d) durch Verwenden einer spezifischen Fokussiereinrichtung (16) erfolgt.
5. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Fokusdurchmessers (d) durch Verschieben der Substratplatte (13) erfolgt.
6. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengrössenverteilung des Pulvers in Bezug auf die Dicke der Pulverschicht (18) derart angepasst wird, dass sie zu einer guten Fliessfähigkeit und einer Schüttdichte > 60 % führt, die zum Herstellen von Pulverschichten mit einer regelmässigen und einheitlichen Dicke und zum Verringern von Schrumpfungseffekten erforderlich sind.
7. Prozess nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genaue Teilchengrössenverteilung durch Siebung und/oder Windtrennung (Windsichtung) erhalten wird.
8. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver durch einen Gaszerstäubungs- oder Plasmarotationselektrodenprozess erhalten wird.
9. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigte Superlegierung auf Nickelbasis aus Folgendem besteht: 3,2-4,2 Gew.-% Al 2,8-3,8 Gew.-% Ti 14,5-17Gew.-%Cr 7,8-9,0 Gew.-% Co 1,2-1,9 Gew.-% Mo 2,1-3,5 Gew.-% W 1,0-2,0 Gew.-% Ta 0,5-1,5 Gew.-% Nb < 0,15 Gew.-% C < 0,02 Gew.-% B Rest Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen.
10. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d) bis g) in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt werden.
11. Prozess nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre Stickstoff oder Argon oder ein anderes geeignetes Gas umfasst, um eine reduzierende Atmosphäre herzustellen.
12. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratplatte (13) abgekühlt wird, um Prozesswärme abzuleiten und dadurch die Zeit zu verkürzen, die zur Erstarrung der Schweissraupe (21) erforderlich ist.
13. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmelzschritt e) ein Vorschmelzschritt ausgeführt wird, um das Pulver der Pulverschicht (18) locker zusammenzuschmelzen oder vorzusintern, und der Schmelzschritt e) danach die Pulverschicht (18) verdichtet, um einen dichten dreidimensionalen Gegenstand zu erhalten.
14. Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmenachbehandlung auf den Gegenstand angewendet wird, um die Mikrostruktur nach dem Aufbau des dreidimensionalen Gegenstands weiter zu optimieren.
15. Prozess nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmebehandlung um heiss-isostatisches Pressen (HIP) handelt.
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