DE102012007114B3

DE102012007114B3 - Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionaler Strukturelemente auf Substratoberflächen, die mit TiAl gebildet ist/sind, durch Laserauftragsschweißen

Info

Publication number: DE102012007114B3
Application number: DE102012007114A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Thieme; Christoph Leyens; Steffen Nowotny
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: US20150041442A1; GB2514523A; WO2013149872A1; GB2514523B; GB201417260D0; US10150183B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionalen Strukturelementen auf Substratoberflächen, die mit TiAl gebildet ist/sind. Sie wird/werden durch Laserauftragsschweißen hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Titan und Aluminium drahtförmig und/oder bandförmig in reiner oder legierter Form, jeweils als einzelner Draht oder einzelnes Band in den Einflussbereich mindestens eines Laserstrahls zugeführt. Durch den Wärmeeintrag werden sie aufgeschmolzen und dabei die Werkstoffe miteinander vermischt. Dadurch wird die Beschichtung oder dreidimensionale Strukturelemente mit TiAl auf der Substratoberfläche ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionalen Strukturelementen auf Substratoberflächen, die mit TiAl gebildet ist/sind. Sie wird/werden durch Laserauftragsschweißen hergestellt. So beschichtete oder an der Oberfläche mit Strukturelementen versehene Bauteile können vorteilhaft im Hochtemperaturbereich, beispielsweise in Turbinen eingesetzt werden.
Als TiAl sollen Legierungen verstanden werden, die mindestens die chemischen Elemente Ti und Al enthalten. Es können weitere chemische Elemente in diesen Legierungen enthalten sein, die jedoch mit möglichst kleinen Anteilen, die deutlich kleiner als die Anteile von Ti und Al sind, enthalten sein sollten. Ein wesentlicher Bestandteil soll dabei die gebildete intermetallische γ-TiAl-Phase sein. Diese Phase ist spröde und diese TiAl-Legierungen weisen eine kleine Bruchdehnung auf, die typischerweise kleiner 1% ist. Die Legierungen können daher schlecht und wenn dann nur aufwendig be- oder verarbeitet werden.
Unter den Begriff Substrate können neben den bereits erwähnten Bauteilen auch andere beliebig geformte Körper oder Werkstücke verstanden werden.
Dreidimensionale Strukturelemente können auf einer Oberfläche ausgebildete Erhebungen sein, die unterschiedlichste geometrische Gestalt aufweisen können. Dabei können mehrere solcher Strukturelemente in Abständen zueinander aber auch Elemente z. B. in kreis- oder rechteckform ausgebildet werden.
So werden beim Laserauftragsschweißen üblicherweise die Zusatzwerkstoffe in Form eines Pulvers oder eines bereits legierten Drahtes oder Bandes zugeführt. Drähte oder Bänder aus dem spröden TiAl sind aber wegen der o. g. Eigenschaften ungeeignet. Wird aber ein Ti und Al enthaltendes Pulvergemisch oder Ti-Al-Legierungspulver eingesetzt, ist eine nahezu vollständige Pulverausnutzung für die Ausbildung der Beschichtung oder dreidimensionaler Strukturelemente nicht erreichbar. Es ist lediglich ein Auftrag einer Beschichtung oder Strukturelementen von oben auf horizontal oder mit geringer Neigung ausgerichteten Oberflächen möglich.
Problematischer ist bei Einsatz einer Pulvermischung aber die Entmischung der einzelnen Bestandteile der Pulvermischung, die bei der Pulverzufuhr In Folge der Gravitationskraft, Reibung in den Fördereinrichtungen, Druckschwankungen eines Gases für die Förderung oder einer Zusetzung von Pulverdüsen auftreten kann.
Außerdem kann nicht gesichert werden, dass alle Bestandteile der zugeführten Pulvermischung tatsächlich aufgeschmolzen werden, so dass die gewünschte Werkstoffzusammensetzung nicht eingehalten werden kann, da es zu einer Entmischung kommen kann. Es ist somit keine reproduzierbare Beschichtung oder Ausbildung dreidimensionaler Strukturelemente mit einem homogenen Beschichtungswerkstoff möglich, was natürlich zu lokal unterschiedlichen Eigenschaften der Beschichtung oder Strukturelemente über die Oberfläche führt. Außerdem kann nur ein reduzierter Anteil des eingesetzten Pulvers für den Auftrag genutzt werden, der deutlich unter 100% der gesamten zugeführten Pulvermenge liegt.
Aus DE 10 2010 026 084 A1 ist es bekannt, Beschichtungen aus TiAl durch Laserauftragsschweißen auszubilden, wobei Titan und Aluminium in Pulverform eingesetzt werden.
US 2010 01 55 374 A1 betrifft ebenfalls ein Laserauftragsschweißverfahren. Dabei sollen Titan und Aluminium in Form einer Legierung drahtförmig genutzt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Substratoberflächen mit einer Beschichtung oder dreidimensionalen Strukturelementen durch Laserauftragsschweißen zu versehen, die mit TiAl gebildet ist, wobei ein homogener aufgetragener Werkstoff auf der jeweiligen Substratoberfläche oder ein Werkstoff mit vorgegebenen Anteilen an Ti und Al sowie ggf. weiteren Legierungsbestandteilen erhalten werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei der Erfindung wird so vorgegangen, dass Titan und Aluminium drahtförmig oder bandförmig in reiner oder legierter Form, jeweils als einzelner Draht oder einzelnes Band in den Einflussbereich mindestens eines Laserstrahls zugeführt werden. Hierbei kann so vorgegangen werden, wie dies beim Laserauftragsschweißen mit einzelnen zugeführten Drähten und/oder Bändern üblich ist. Durch den Wärmeeintrag der Laserstrahlung werden die unterschiedlichen Werkstoffe aufgeschmolzen und dabei miteinander vermischt. Nach dem Erstarren der Schmelze wird die Beschichtung oder es werden dreidimensionale Strukturelemente mit TiAl auf der Substratoberfläche ausgebildet.
Es können auch Pulver-Fülldraht oder Pulver-Füllband eingesetzt werden.
Für das Aufschmelzen können die Laserleistung und die Energiedichte entsprechend gewählt werden, um ein vollständiges Schmelzen aller Komponenten zu gewährleisten. Die Schmelzbadtemperatur kann so eingehalten werden, dass die Schmelze eine geringe Viskosität aufweist, so dass durch die Schmelzbadbewegung eine gute Vermischung der einzelnen Bestandteile erreicht werden kann.
Wie bereits angedeutet, kann die Beschichtung oder die Strukturelemente nicht nur aus reinem TiAl gebildet werden. Vielmehr kann mindestens ein weiteres Legierungselement Bestandteil des aufgetragenen Werkstoffs sein. Ein oder mehrere Legierungselemente können dabei bereits im Werkstoff eines Drahtes oder Bandes enthalten sein, so dass ein Draht oder ein Band aus einer entsprechenden Titan- oder Aluminiumlegierung bestehen kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit mindestens einen zusätzlichen Draht oder ein zusätzliches Band, der/das aus mindestens einem solchen Legierungselement besteht, gemeinsam mit den beiden Titan und Aluminium-Drähten/-Bändern in den Einflussbereich der Laserstrahlung zuzuführen und damit ebenfalls aufzuschmelzen, so dass eine damit zusätzlich legierte Beschichtung oder Strukturelemente erhalten werden kann/können. Es können auch zwei Drähte oder Bänder zugeführt werden, wobei in diesem ein Draht oder Band bereits aus einer Legierung von Ti oder Al besteht.
Die Beschichtung oder Strukturelemente kann/können so mit mindestens einem weiteren Metall, als Legierungsbestandteil gebildet werden, das ausgewählt ist aus Nb, Ta, Mo, B, Cr und V. Es kann auch C enthalten sein.
Die Werkstoffzusammensetzung der Beschichtung oder Strukturelemente kann durch den Drahtdurchmesser, den Querschnitt eines oder mehrerer Bänder und/oder der Vorschubgeschwindigkeit der zugeführten Drähte oder Bänder beeinflusst werden. Dabei kann bei unterschiedlichen Drahtdurchmessern oder Querschnittsflächen von Bändern die aus Titan, Aluminium und/oder mindestens einem zusätzlichen Element bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit bei der Zufuhr der jeweilige Anteil dieser metallischen Elemente gezielt eingestellt werden.
Eine solche Beeinflussung ist aber auch durch unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeit der einzelnen Drähte oder Bänder möglich. Dies kann bei jeweils in ihrem Außendurchmesser oder Querschnitt gleichen oder auch unterschiedlichen Drähten oder Bändern so durchgeführt werden. Die Vorschubgeschwindigkeit kann dabei geregelt oder gesteuert werden.
Dabei kann ein Querschnitt oder eine Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse eines Drahtes oder Bandes und dementsprechend auch senkrecht zur Zuführbewegungsrichtung ausgerichtet sein.
Im herzustellenden aufgetragenen Werkstoff sollte Aluminium mit einem Anteil im Bereich 35 at-% bis 55 at-% enthalten sein, wofür Drähte oder Bänder mit entsprechendem Anteil an Aluminium eingesetzt werden können, so dass die Beschichtung oder dreidimensionalen Strukturelemente γ-TiAl-Phase enthalten oder damit gebildet werden kann.
Bei der Erfindung können miteinander verbundene Drähte oder Bänder zugeführt werden. Die Verbindung kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Sie kann durch eine stoffschlüssige, kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung erreicht worden sein. Dabei können zusätzliche Verbindungselemente, wie z. B. die Drähte und/oder Bänder umschlingende Bänder genutzt werden. Diese können aus einem ebenfalls den aufzutragenden Werkstoff mit bildenden Metall, aber auch einem Werkstoff oder Material bestehen, das durch den Einfluss der Laserstrahlung vollständig entfernt werden kann.
Es kann auch mindestens ein Draht mit mindestens einem Band, durch eine geeignete Verformung des/der Bandes/Bänder, formschlüssig verbunden sein und diese können dann so gemeinsam mit gleicher Vorschubgeschwindigkeit zugeführt werden.
Dies ist vorteilhaft auch durch eine einfache Verdrillung mehrerer Drähte miteinander erreichbar.
Mit der Erfindung kann eine zumindest nahezu 100%-ige Ausnutzung der zugeführten Werkstoffe für die Ausbildung der Beschichtung oder Strukturelemente erreicht werden.
Die definierte Ausbildung des gesamten aufgetragenen und metallurgisch vermischten Werkstoffs (TiAl-Legierung) kann durch die erreichbare Schmelzbadbewegung, die hauptsächlich in Folge von thermischen Potentialunterschieden und Konzentrationsunterschieden in der Schmelze auftritt, gefördert und eingestellt werden.
Im Bereich des Schmelzbades sollte eine inerte Atmosphäre, durch Zufuhr eines Schutzgases (z. B. Argon) eingehalten werden. Es kann auch im Vakuum gearbeitet werden.
Der jeweilige aufgebrachte Werkstoff kann bei der Erfindung in-situ aus den mit den Drähten oder Bändern zugeführten Elementen gebildet werden.
Mit der Erfindung kann ein intermetallischer Werkstoff aufgetragen und damit eine Beschichtung oder dreidimensionale Strukturelemente ausgebildet werden. Dabei kann die hohe Festigkeit und -Temperaturbeständigkeit dieses Werkstoffs vorteilhaft ausgenutzt werden.
Im Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren kann eine sehr endkonturnahe Ausbildung von Strukturelementen oder eine bestimmte Schichtdicke erreicht werden, so dass auf eine aufwändige Nachbearbeitung, die in der Regel spanend durchgeführt werden muss, verzichtet oder der Aufwand hierfür erheblich reduziert werden kann. Der mit den Drähten eingesetzte Werkstoff kann vollständig, zumindest nahezu vollständig ausgenutzt werden.
Der Aufwand, was den Energieeinsatz und die Anlagentechnik betrifft, ist relativ gering, wodurch die Kosten ebenfalls klein gehalten werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einzelnen Teilen, bei kleinen Losen aber auch in der Massenfertigung eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Beispiel 1:
Auf der Oberfläche eines Substrates aus einer Titanbasislegierung (Ti6Al4V) soll eine Beschichtung mit einer 50Ti-44Al-6Nb-Legierung als Beschichtungswerkstoff ausgebildet werden.
Hierfür werden drei einzelne Drähte, die gleichmäßig über die Länge miteinander verdrillt worden sind, senkrecht in Bezug zur Substratoberfläche dem Einflussbereich eines Laserstrahls zugeführt. Es wurde ein NdYAG-Laser als Laserquelle mit einer Leistung im Bereich von 1 kW bis 3 kW eingesetzt. Der Laserstrahl wurde seitlich koaxial auf die Oberfläche des Substrates gerichtet. Er war so fokussiert, dass der Brennpunkt im Bereich –2 mm bis +2 mm in Bezug zur Substratoberfläche angeordnet werden konnte. Bei der Durchführung des Verfahrens können auch mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden, die aus verschiedenen Richtungen um die Drähte radial verteilt eingestrahlt werden können.
Für die Beschichtung wurde ein Draht aus reinem Titan mit einem Außendurchmesser von 0,75 mm, ein Draht aus reinem Aluminium mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm und ein Draht aus reinem Niob mit einem Außendurchmesser von 0,25 mm eingesetzt.
Die miteinander verbundenen drei Drähte wurden mit einer Geschwindigkeit im Bereich 1 m/min bis 3 m/min zugeführt. Bei der Ausbildung der Beschichtung wurden das Substrat und der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 m/min bis 3 m/min relativ zueinander bewegt. Damit konnte eine Beschichtung mit einer Schichtdicke von 0,5 mm auf der Substratoberfläche ausgebildet werden. Die Beschichtung bestand aus dem o. g. Werkstoff. Sie war porenfrei und wies keine Risse auf. Bei den angegebenen Geschwindigkeiten kann durch geeignete Wahl eine Beschichtung mit einer Schichtdicke zwischen 0,3 mm bis 1 mm ausgebildet werden. Es bildete sich ein zweiphasiges Gefüge aus γ-TiAl- und Ti₃Al-Phase aus.
Beispiel 2
Bei diesem Beispiel kann prinzipiell, wie beim Beispiel 1 vorgegangen werden. Es wird lediglich ein Laserstrahl senkrecht auf die Substratoberfläche gerichtet, Die Zufuhr der Drähte kann dabei seitlich, auch von Hand in schleppender Anordnung erfolgen.
Ein zum Aufschmelzen eingesetzter Laserstrahl weist dabei einen Brennfleckdurchmesser von 2 mm bis 3 mm, bei der Leistung, wie sie auch beim Beispiel 1 eingesetzt werden kann, auf.
Die Laserlichtquelle kann gepulst mit einer Pulslänge im Bereich 10 ms bis 20 ms, bei einer Pulsenergie im Bereich 30 J bis 40 J betrieben werden. Die Bewegung des Laserstrahls kann automatisiert erfolgen und eine Vorschubgeschwindigkeit bei der Bewegung des Laserstrahls zwischen 1 mm/s bis 2 mm/s eingehalten werden.
Es werden zwei Drähte eingesetzt, von denen einer mit einer Ti-Nb-Mo-Legierung und der andere mit einer Al-B-Legierung gebildet ist.
Die zwei Drähte werden bei der Zufuhr mit einem Verbindungselement, das die Drähte umschlingt und aus organischem Material, das bevorzugt ein aus Fasern gebildetes Material ist, miteinander verbunden.
Damit kann eine Beschichtung, die aus einer Ti-(40-45)Al-(5-8)Nb,Mo-0,1B-Legierung gebildet worden ist erhalten werden.
So kann eine Beschichtung mit einer Dicke im Bereich 0,5 mm bis 0,8 mm, bei einem Überlappungsgrad der einzelnen nebeneinander ausgebildeten Spuren im Bereich 30% bis 50%, ausgebildet werden.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionaler Strukturelemente auf Substratoberflächen, die mit TiAl gebildet ist/sind, durch Laserauftragsschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass Titan und Aluminium drahtförmig oder bandförmig in reiner oder legierter Form, jeweils als einzelner Draht oder einzelnes Band in den Einflussbereich mindestens eines Laserstrahls zugeführt und durch den Wärmeeintrag aufgeschmolzen wird, dabei die Werkstoffe miteinander vermischt werden und dadurch die Beschichtung oder dreidimensionalen Strukturelemente mit TiAl auf der Substratoberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung oder Strukturelemente mit mindestens einem weiteren Metall als Legierungsbestandteil gebildet wird, das ausgewählt ist aus Nb, Ta, Mo, B, Cr und V und C.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffzusammensetzung der Beschichtung oder Strukturelemente durch den Drahtdurchmesser, den Querschnitt eines oder mehrerer Bänder und/oder der Vorschubgeschwindigkeit der zugeführten Drähte oder Bänder beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Titan und Aluminium mittels Pulver-Fülldraht oder Pulver-Füllband zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminium mit einem Anteil im Bereich 35 at-% bis 55 at-% eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung oder Strukturelemente mit γ-TiAl-Phase gebildet wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander verbundene Drähte oder Bänder zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander verdrillte Drähte zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dabei die Zufuhrgeschwindigkeit der Drähte oder Bänder geregelt oder gesteuert wird.