DE102015115962B4 - Process for creating a metallic material mixture in additive manufacturing - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines metallischen Werkstoffgemischs bei der additiven Fertigung eines Formkörpers, wobei- für jeden Bereich des Formkörpers durch Materialbeschreibungsdaten eine Zusammensetzung des für diesen Bereich vorgesehenen Werkstoffgemischs (7) vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass- als ersten Ausgangswerkstoff (2) TiB2und als zweiten Ausgangswerkstoff (3) AI als mindestens zwei getrennt vorliegende, schmelzbare, metallhaltige, blech-, draht- oder pulverförmige Ausgangswerkstoffe (2, 3) mittels Energiezufuhr aufgeschmolzen und in schmelzflüssiger Form innerhalb von einzelnen, jeweils aufeinanderfolgenden Schichten (1.1, 1.2) entsprechend der Zusammensetzung des lokal im aufzubauenden Formkörper mittels der Ausgangswerkstoffe (2, 3) auszubildenden Werkstoffgemischs (7) jeweils getrennt voneinander abgeschieden werden, wobei ein Erstarren des jeweils abgeschiedenen Ausgangswerkstoffes (2) abgewartet wird, bevor ein anderer Ausgangswerkstoff (3) abgeschieden wird, und- nach dem vollständigen Abscheiden aller Schichten (1.1, 1.2) des zu fertigenden Formkörpers mittels Energiezufuhr durch einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl (6) die Zündung einer selbst propagierenden exothermen Reaktion zur Gefügebildung der getrennt in den Schichten (1.1, 1.2) abgeschiedenen Ausgangswerkstoffe (2, 3) unter jeweiliger Ausbildung des für jeden Bereich im Formkörper vorgegebenen metallischen Werkstoffgemischs (7) initiiert wird,- wobei der Formkörper während der Gefügebildung zusätzlich temperiert wird.Method for producing a metallic material mixture in the additive manufacturing of a shaped body, wherein - for each area of the shaped body, a composition of the material mixture (7) provided for this area is specified by material description data, characterized in that - as the first starting material (2) TiB2 and as the second Starting material (3) AI as at least two separately present, fusible, metal-containing, sheet, wire or powder starting materials (2, 3) melted by means of energy supply and in molten form within individual, successive layers (1.1, 1.2) according to the composition of the material mixture (7) to be formed locally in the shaped body to be constructed by means of the starting materials (2, 3) are each deposited separately from one another, with the respectively deposited starting material (2) waiting to solidify before another starting material (3) is deposited, and- after the complete deposition of all layers (1.1, 1.2) of the shaped body to be produced by supplying energy by means of an electric arc or a laser beam (6), the ignition of a self-propagating exothermic reaction to form the microstructure of the starting materials (1.1, 1.2) deposited separately in the layers (1.1, 1.2). 2, 3) is initiated with the respective formation of the metallic material mixture (7) specified for each area in the shaped body, the shaped body being additionally tempered during the structure formation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von komplexen Bauteilen aus einem metallischen Werkstoffgemisch, insbesondere einer intermetallischen Phase, mittels additiv-generativer Fertigung, wobei blech-, draht- oder pulverförmiger metallhaltiger Werkstoff aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird.The invention relates to a method for producing complex components from a metallic material mixture, in particular an intermetallic phase, by means of additive-generative manufacturing, in which metal-containing material in sheet, wire or powder form is melted and applied in layers.

Die Herstellung von komplexen Bauteilen aus intermetallischen Phasen bzw. aus maßgeschneiderten (tailored) Gefügen und Werkstoffen, wie z. B. aus den bevorzugt für Hochtemperaturanwendungen eingesetzten Titanaluminiden (TiAl), stellt vielschichtige Herausforderungen an die Fertigungsprozesse. Die Produktion derartiger Bauteile erfolgt gewöhnlich über das Vakuumgießen oder andere Urformprozesse. Werkzeuge, Konturfreiheit und Temperaturführung werden davon stark beeinflusst und bedürfen für deren Handhabung kostenintensiver Maßnahmen.The production of complex components from intermetallic phases or from tailor-made (tailored) microstructures and materials, such as e.g. B. from the titanium aluminides (TiAl), which are preferably used for high-temperature applications, poses complex challenges to the manufacturing processes. Such components are usually produced by vacuum casting or other primary shaping processes. Tools, contour freedom and temperature control are strongly influenced by this and require cost-intensive measures for their handling.

Additive Verfahren erlauben es, Formkörper mit einer komplexen Bauteilgeometrie aus einzelnen Schichten herzustellen. Mittels der bekannten Verfahren werden metallische Bauteile überwiegend mit nur einem Werkstoff hergestellt. Dieser Werkstoff kann elementar, d. h. aus einem Element bestehend, oder eine vorgefertigte Legierung sein, wie z. B. in DE 10 2013 226 664 A1 für die Herstellung eines Turbinenläufers aus einer hochwarmfesten Metalllegierung oder in US 2015 / 0 135 897 A1 für die Herstellung von Bauteilen aus einer Wismut-haltigen Legierung beschrieben.Additive processes make it possible to produce moldings with a complex component geometry from individual layers. By means of the known methods, metallic components are mainly produced with only one material. This material can be elemental, ie composed of one element, or it can be a prefabricated alloy, e.g. Am DE 10 2013 226 664 A1 for the production of a turbine rotor from a high-temperature metal alloy or in US 2015/0 135 897 A1 for the production of components from a bismuth-containing alloy.

US 2015 / 0 044 084 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit einem graduellen Werkstoffübergang. Dieser Übergang wird realisiert, indem die Formkörper schichtweise abgeschieden werden, wobei jede Schicht eine andere Zusammensetzung aufweist.US 2015/0 044 084 A1 shows a method for producing shaped bodies with a gradual material transition. This transition is realized by the shaped bodies being deposited in layers, with each layer having a different composition.

US 2005 / 0 133 527 A1 beschreibt ein Verfahren zur additiven Fertigung unter Verwendung von Pulver, das auch eine Mischung von wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien erlaubt, um graduelle Übergänge in der Materialzusammensetzung des Formkörpers herzustellen. Die Pulvermischung wird mit einem Trägergas gezielt auf den Brennfleck des Lasers geblasen, wo sie ausgeschmolzen wird.US 2005/0 133 527 A1 describes a method for additive manufacturing using powder, which also allows a mixture of at least two different materials to produce gradual transitions in the material composition of the molded body. The powder mixture is blown with a carrier gas onto the focal spot of the laser, where it is melted out.

Die additive Fertigung von Bauteilen und Komponenten erfolgt also bisher unter Verwendung einer bereits fertigen Legierung bzw. Werkstoffsystems. Nachteilig hierbei ist, dass zum einen bestimmte Werkstoffsysteme, wie z. B. intermetallische Phasen, fertigungstechnisch nur erheblich erschwert herstellbar sind.So far, the additive manufacturing of parts and components has been carried out using an already finished alloy or material system. The disadvantage here is that on the one hand, certain material systems, such. B. intermetallic phases, production technology is very difficult to produce.

Verfahren zur generativen Fertigung unter Verwendung von mehreren metallischen Ausgangsstoffen, die erst beim Vorgang des schichtweisen Auftragens mittels des 3D-Druckers vermischt werden, rückten erst in jüngster Zeit in den Fokus.Processes for generative manufacturing using several metallic starting materials, which are only mixed during the layer-by-layer application process using the 3D printer, have only recently come into focus.

DE 10 2011 079 471 A1 beschreibt ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffes unter Verwendung von Pulver, wobei eine Schicht aus Kohlenstoff-Partikeln mit einer Schicht aus Metallpartikeln bedeckt und die Metallpartikel-Schicht anschließend mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. Dadurch fließt das schmelzflüssige Metall in die darunterliegende Kohlenstoff-Partikel-Schicht unter Ausbildung des für diesen Schichtbereich des Formkörpers vorgegebenen Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffes. Diese Schritte können mehrfach wiederholt werden, wobei die lateralen Maße einer vorgegeben geometrischen Struktur des Formkörpers anpassbar sind. Die Schichtdicken werden entsprechend der gewünschten Zusammensetzung gewählt. DE 10 2011 079 471 A1 describes a method for the additive manufacturing of a carbon-metal composite material using powder, a layer of carbon particles being covered with a layer of metal particles and the metal particle layer then being melted by means of laser radiation. As a result, the molten metal flows into the underlying carbon-particle layer, forming the carbon-metal composite material specified for this layer region of the shaped body. These steps can be repeated several times, with the lateral dimensions being adaptable to a predetermined geometric structure of the shaped body. The layer thicknesses are chosen according to the desired composition.

Aus der US 2014 / 0 295 087 A1 ist bekannt, metallische Formkörper mittels 3D-Verfahren herzustellen, bei denen zum Zwecke der verbesserten Schweißbarkeit der für die Herstellung vorgesehene, schlecht schweißbare Werkstoff und ein zweiter Ausgangswerkstoff z. B. in Pulverform schichtweise aufgetragen werden, wobei der zweite Werkstoff ein gut schweißbares Derivat des ersten ist. Durch die Legierungsbildung unter Einwirkung eines Energiestrahls beim 3D-Druck entsteht somit ein im Wesentlichen aus dem ersten (schlecht schweißbaren) Werkstoff bestehendes Bauteil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich seiner Schweißbarkeit.From US 2014 / 0 295 087 A1 it is known to produce metallic shaped bodies by means of 3D processes in which, for the purpose of improved weldability, the poorly weldable material intended for production and a second starting material, e.g. B. be applied in layers in powder form, the second material being a readily weldable derivative of the first. The alloy formation under the action of an energy beam during 3D printing thus results in a component consisting essentially of the first (poorly weldable) material with improved mechanical properties, in particular with regard to its weldability.

WO 2015/ 094 720 A1 beschreibt die Herstellung eines kreiszylinderförmigen Halbzeugs, bestehend aus zwei verschiedenen Legierungen, die in einem lokal eingegrenzten Übergangsbereich des Halbzeugs graduell ineinander übergehen. Hierzu werden zwei metallische Pulver in Anteilen entsprechend der benötigten, lokal variierenden Zusammensetzung der jeweils aufzubauenden Halbzeugschicht in einer Düse miteinander vermischt und schließlich schichtweise mit dieser Düse abgeschieden, d. h. das legierungsgerechte Vermischen der Pulver erfolgt unmittelbar vor deren Auftrag. Anschließend wird das Pulvergemisch durch einen Energiestrahl unter Ausbildung von Legierungen verschmolzen, wobei in dem Halbzeug ein gradueller Übergangsbereich von der einen in die andere Legierung ausgebildet wird. Dieses Fertigungsverfahren funktioniert jedoch nur mit pulverförmigen Ausgangsstoffen, wobei beide Ausgangsstoffe bereits als Legierung vorliegen. Außerdem ist durch die Verwendung nur einer Düse für die Pulverabscheidung eine zeitliche Verzögerung zwischen Mischvorgang und Abscheidevorgang gegeben, wodurch ein exaktes Einstellen einer in eng begrenzten lokalen Bereichen zu variierenden Schichtzusammensetzung nahezu unmöglich wird.WO 2015/094 720 A1 describes the production of a circular-cylindrical semi-finished product, consisting of two different alloys, which gradually merge into one another in a locally limited transition area of the semi-finished product. For this purpose, two metallic powders are mixed together in a nozzle in proportions corresponding to the required, locally varying composition of the respective semi-finished layer to be built up and finally deposited in layers with this nozzle, ie the alloy-specific mixing of the powders takes place immediately before they are applied. The powder mixture is then melted by an energy beam to form alloys, with a gradual transition area from one alloy to the other being formed in the semi-finished product. However, this manufacturing process only works with powdered starting materials, with both starting materials already being present as an alloy. In addition, by using only one nozzle for the powder separation, there is a time delay between the mixing process and the separation given process, whereby an exact setting of a layer composition that is to be varied in narrowly defined local areas becomes almost impossible.

WO 2015/ 082 853 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Metallteilen, wobei zwei unterschiedliche Pulver jeweils als eine Schicht aufeinander abgelagert und anschließend ein Energiestrahl über die zweite Pulverschicht bewegt wird, wodurch die beiden übereinanderliegenden Pulverschichten durch Initiierung einer exothermen Reaktion zu einer Legierung verschmolzen werden. Auf diese Art werden sukzessive immer zwei Schichten abgelagert und verschmolzen, bis der schichtweise hergestellte, metallische Formkörper fertiggestellt ist. Dieses wiederholte schichtweise Abscheiden und Verschmelzen macht die Formkörperherstellung vergleichsweise aufwendig, wobei Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten nicht auszuschließen sind.WO 2015/ 082 853 A1 shows a method for producing metal parts, in which two different powders are deposited one on top of the other as a layer and then an energy beam is moved over the second powder layer, whereby the two powder layers lying on top of each other are fused to form an alloy by initiating an exothermic reaction . In this way, two layers are always successively deposited and fused until the metallic molded body produced in layers is completed. This repeated layer-by-layer deposition and fusion makes the production of the shaped body comparatively expensive, and interfaces between the individual layers cannot be ruled out.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, durch lagenweisen Aufbau im Sinne der generativen Fertigung aus mehreren blech-, draht- oder pulverförmigen Werkstoffen metallische Formkörper herzustellen, wobei der Formkörper nicht nur gemäß einer vorgegebenen geometrischen Form, sondern insbesondere mit einer in der Materialzusammensetzung beliebig vorgebbaren - homogenen oder nach Vorgaben lokal variierenden - Legierung, intermetallischen Phase oder anderen metallischen Stoffgemischen dieser Werkstoffe unter Vermeidung von Seigerungseffekten erzeugbar sein soll.The object of the invention is to produce metallic shaped bodies by layered construction in the sense of generative manufacturing from several sheet metal, wire or powdered materials, the shaped body not only according to a predetermined geometric shape, but in particular with an arbitrarily predetermined material composition - homogeneous or according to specifications locally varying - alloy, intermetallic phase or other metallic mixtures of these materials should be able to be produced while avoiding segregation effects.

Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.According to the invention, the above object is achieved with a method according to claim 1; Expedient refinements of the invention can be found in the dependent claims.

Im Folgenden wird der Begriff „Werkstoffmischung“ allgemein für eine Legierung, intermetallische Phase oder ein anderes metallisches Stoffgemisch, das aus einer Verbindung mehrerer metallischer oder metallhaltiger Ausgangswerkstoffe gebildet ist, verwendet.In the following, the term "material mixture" is used generally for an alloy, intermetallic phase or another metallic mixture of substances that is formed from a combination of several metallic or metal-containing starting materials.

Nach Maßgabe der Erfindung werden zur additiven Fertigung des metallischen Formkörpers mindestens zwei schmelzbare, draht-, band-, pulver- oder blechförmige (elementar oder in Form einer Legierung vorliegende) Ausgangswerkstoffe zeitgleich oder nacheinander schichtweise abgeschieden, wobei die einzelnen Werkstoffe vorzugsweise getrennt erstarren, d. h., eine Vermischung der Ausgangswerkstoffe zum Zeitpunkt des Abscheidens und Erstarrens wird weitestgehend vermieden. Hierbei kann jeder Werkstoff in einer eigenen, separaten Schicht aufgetragen werden, d. h., es entsteht eine Schichtabfolge mit Schichten jeweils eines Ausgangswerkstoffes, oder es werden alle Werkstoffe in einer gemeinsamen Schicht abgeschieden, wobei z. B. in jeder Schicht lokal begrenzte Bereiche aus den einzelnen Ausgangswerkstoffen ausgebildet werden können.According to the invention, at least two fusible starting materials in wire, strip, powder or sheet form (present in elementary form or in the form of an alloy) are deposited simultaneously or successively in layers for the additive manufacturing of the metallic shaped body, with the individual materials preferably solidifying separately, i . This means that mixing of the starting materials at the time of deposition and solidification is largely avoided. Each material can be applied in its own separate layer, i. H., There is a layer sequence with layers each of a starting material, or all materials are deposited in a common layer, where z. B. locally limited areas can be formed from the individual starting materials in each layer.

Erfindungsgemäß wird dem derart abgeschiedenen Schichtstapel nach dem Abscheiden mittels einer Energiequelle (nämlich einem Lichtbogen oder einem Laserstrahl) vorzugsweise zeitlich und räumlich begrenzt Energie (z. B. in Form eines Energiepulses) zugeführt, wodurch eine Gefügebildung der getrennt vorliegenden, erstarrten Ausgangswerkstoffe zu dem metallischen Werkstoffgemisch initiiert wird. Unter Gefügebildung wird hierin der Umwandlungsprozess beinhaltend das Verbinden der (elementar metallischen bzw. metallhaltigen) Werkstoffe zu einer Legierung, einer intermetallischen Phase oder einem anderen metallischen Stoffgemisch verstanden.According to the invention, the layer stack deposited in this way is supplied with energy (e.g. in the form of an energy pulse) after the deposition by means of an energy source (namely an arc or a laser beam), preferably in a temporally and spatially limited manner, whereby a microstructure of the separately present, solidified starting materials forms the metallic Material mixture is initiated. Structure formation is understood here to mean the conversion process including the joining of the (elementary metallic or metal-containing) materials to form an alloy, an intermetallic phase or another metallic mixture of substances.

Bekannt ist z. B. die sogenannte SHS-Reaktion (self-propagating high temperature synthesis, auf Deutsch: selbstfortschreitende Hochtemperatur-Festkörpersynthese). Die SHS wird genutzt zur Herstellung anorganischer Verbindungen. Die zu verbindenden Ausgangsstoffe, welche z. B. in pulverisierter Form oder als Folien von wenigen Nanometern Stärke vorliegen können, werden gemischt oder abwechselnd aufgetragen. Anschließend wird durch (punktuelle) Erhitzung der derartig vermischten Ausgangsstoffe eine exotherme Reaktion ausgelöst, die selbsttätig durch die Mischung wandert, wobei die gewünschte Verbindung unter Abgabe von Wärme synthetisiert wird. Die SHS-Reaktion wird beispielsweise auch beim Schweißen oder Löten zur gezielten Wärmeerzeugung eingesetzt, da die bei der (exothermen) Reaktion zweier Elemente entstehende Wärme für eine örtliche Erwärmung nutzbar ist. Für die Gefügebildung interessant und nutzbar ist die SHS jedoch, da sich aufgrund von Diffusionsvorgängen zwischen den Körnern der metallischen Ausgangsstoffe, z. B. zwischen miteinander vermischten Titan- und Aluminiumkörnern, intermetallische Phasen (z. B. Titanaluminid) ausbilden.It is known e.g. B. the so-called SHS reaction (self-propagating high temperature synthesis). The SHS is used to produce inorganic compounds. The starting materials to be connected, which z. B. in powdered form or as films of a few nanometers thick, are mixed or applied alternately. An exothermic reaction is then triggered by (punctual) heating of the starting materials mixed in this way, which automatically migrates through the mixture, with the desired compound being synthesized with the release of heat. The SHS reaction is also used, for example, in welding or soldering for the targeted generation of heat, since the heat generated during the (exothermic) reaction of two elements can be used for local heating. However, the SHS is interesting and usable for the structure formation, since due to diffusion processes between the grains of the metallic starting materials, e.g. B. between mixed titanium and aluminum grains, form intermetallic phases (z. B. titanium aluminide).

Erfindungswesentlich ist, dass die für das auszubildende metallische Werkstoffgemisch vorgesehenen Ausgangswerkstoffe getrennt den Schichten des aufzubauenden Formkörpers zugeführt werden. Die Gefügebildung selbst (d.h die Ausbildung der Legierung, intermetallischen Phase oder anderem metallischen Stoffgemisch) erfolgt erst nach der Schichtabscheidung, also im Falle des Auftragens schmelzflüssiger Ausgangsstoffe erst nach der Erstarrung der schmelzflüssig abgeschiedenen Ausgangswerkstoffe in mindestens einer Schicht, d. h., die Gefügebildung findet nach dem Auftragen der zu einer Legierung, einer intermetallischen Phase oder einem anderen metallischen Stoffgemisch zu verschmelzenden Werkstoffe in den bzw. über die einzelnen Schichten statt.It is essential to the invention that the starting materials provided for the metallic material mixture to be formed are supplied separately to the layers of the shaped body to be constructed. The formation of the microstructure itself (i.e. the formation of the alloy, intermetallic phase or other metallic mixture of substances) takes place only after the layer has been deposited, i.e. in the case of the application of molten starting materials only after the solidification of the starting materials deposited in molten liquid in at least one layer, i.e. the microstructure is formed after the applying the materials to be fused into an alloy, an intermetallic phase or another metallic mixture of substances in or over the individual layers.

Dieser nach dem schichtweisen Auftrag der getrennt abgeschiedenen, z. B. schmelzflüssigen, Ausgangswerkstoffe ablaufende Umwandlungsprozess kann ausgelöst werden durch eine Wärmebehandlung des gesamten Formkörpers bzw. einzelner seiner Schichten oder Schichtstapel oder durch eine lokal begrenzte, externe Energiezufuhr (nämlich Strahlungsenergie mittels eines Lasers oder thermische Energie von einem Lichtbogen), wodurch die Zündung einer selbst propagierenden exothermen Reaktion (z. B. der SHS) ausgelöst wird.This after the layered application of the separately deposited, z. B. molten, starting materials running conversion process can be triggered by a heat treatment of the entire molded body or individual of its layers or layer stacks or by a locally limited, external energy supply (namely radiant energy by means of a laser or thermal energy from an electric arc), whereby the ignition of a self propagating exothermic reaction (e.g. the SHS) is triggered.

Somit lässt sich die SHS für die Gefügebildung ausnutzen, indem zum Beispiel im Nachgang zur Herstellung des Rohlings, d. h. des aus den einzelnen, noch getrennt in den Schichten vorliegenden Ausgangswerkstoffen gebildeten Formkörpers, dieser einer Wärmebehandlung unterstellt wird, sodass die Diffusion zwischen den voneinander getrennten Bereichen (z. B. Schichten oder Körnern) der Ausgangswerkstoffe über bzw. zwischen diesen Bereichen erfolgt. Die entstehende Wärme bei der exothermen Reaktion wird zugleich im Prozess verwendet, um die Diffusion zwischen den einzelnen Bereichen (z. B. von Schicht zu Schicht bzw. zwischen Körnern der Ausgangswerkstoffe) zu beschleunigen. Dies kann über eine Variation der Temperaturführung ggf. auch aktiv beeinflusst werden.Thus, the SHS can be used for microstructure formation, for example, by following the production of the blank, i. H. of the shaped body formed from the individual starting materials still present separately in the layers, this is subjected to a heat treatment, so that the diffusion between the separate areas (e.g. layers or grains) of the starting materials takes place via or between these areas. The heat generated during the exothermic reaction is also used in the process to accelerate diffusion between the individual areas (e.g. from layer to layer or between grains of the starting materials). If necessary, this can also be actively influenced by varying the temperature control.

Die Gefügebildung kann durchgeführt werden, nachdem jeweils mindestens eine Schicht der (zu diesem Zeitpunkt in der Schicht noch getrennt vorliegenden) Ausgangswerkstoffe abgeschieden wurde, oder erst nach dem vollständigen Abscheiden aller Schichten des zu fertigenden Formkörpers.The microstructure can be formed after at least one layer of the starting materials (still present separately in the layer at this point in time) has been deposited, or only after all layers of the molded body to be produced have been completely deposited.

Die Ausgangswerkstoffe können in fester Phase, z. B. als Pulver, oder in schmelzflüssiger Phase (jedoch getrennt voneinander, d. h. ein zweiter, schmelzflüssiger Werkstoff wird erst abgeschieden, nachdem ein erster, zuvor schmelzflüssig aufgetragene Werkstoff erstarrt ist) in den Schichten abgeschieden werden, wobei die Mengenverhältnisse der einzelnen abgeschiedenen Ausgangswerkstoffe der Zusammensetzung der auszubildenden Legierung, intermetallischen Phase oder anderem metallischen Stoffgemisch entspricht.The starting materials can be in the solid phase, e.g. B. as a powder, or in the molten phase (but separately from each other, i.e. a second, molten material is only deposited after a first, previously applied molten material has solidified) are deposited in the layers, with the quantitative ratios of the individual deposited starting materials of the composition corresponds to the alloy to be formed, intermetallic phase or other metallic mixture of substances.

Durch eine gezielte Auswahl der Ausgangswerkstoffe, die das metallische Werkstoffgemisch des Formkörpers bilden sollen, ist eine Beeinflussung der Diffusions- bzw. Reaktionsgeschwindigkeit während der Gefügebildung (z. B. der SHS) möglich. So können beispielsweise AI-Werkstoffe und TiB₂ (Titandiborid) eingesetzt werden, um aufgrund einer verringerten Korngröße der Ausgangswerkstoffe entsprechend die Diffusion zur Bildung der Ti-Al-Legierung zu beschleunigen.By carefully selecting the starting materials that are to form the metallic material mixture of the shaped body, it is possible to influence the rate of diffusion or reaction during the formation of the structure (e.g. the SHS). For example, Al materials and TiB ₂ (titanium diboride) can be used in order to correspondingly accelerate the diffusion for the formation of the Ti-Al alloy due to a reduced grain size of the starting materials.

Erfindungsgemäß ist der erste Ausgangsstoff der mindestens zwei getrennt vorliegenden Ausgangswerkstoffe TiB₂ (Titandiborid) und der zweite Ausgangsstoff AI (Aluminium).According to the invention, the first starting material of the at least two separate starting materials is TiB ₂ (titanium diboride) and the second starting material is Al (aluminum).

Durch den Aufbau von Schichten, bei denen die Bereiche mit den einzelnen Ausgangsmaterialien Ausdehnungen (Strukturgrößen) unterhalb einer kritischen Größe aufweisen, kann nach Einleiten der Reaktion zur Gefügebildung über SHS aufgrund der exotherm ablaufenden Reaktion auf eine zusätzliche, externe Wärmezufuhr während der Gefügebildung verzichtet werden. Somit ist beispielsweise nur ein kurzer Energiepuls (z. B. mit dem zum Aufschmelzen und Abscheiden der Ausgangswerkstoffe verwendeten Laser oder Lichtbogen) notwendig, um die Gefügebildung zu initiieren, d. h. die SHS-Reaktion auszulösen, wobei sie anschließend vollständig selbsttätig abläuft.By building up layers in which the areas with the individual starting materials have expansions (structure sizes) below a critical size, after the reaction for structure formation has been initiated via SHS, an additional, external heat supply during structure formation can be dispensed with due to the exothermic reaction. Thus, for example, only a short energy pulse (e.g. with the laser or arc used to melt and deposit the starting materials) is necessary to initiate the structure formation, i. H. to trigger the SHS reaction, which then runs completely automatically.

Durch das erfindungsgemäße additive Verfahren ist es folglich möglich, dass Bauteile aus maßgeschneiderten metallischen Gefügen, bestehend aus mehreren Werkstoffen/Elementen, wie z. B. intermetallische Phasen (vorliegend Titanaluminide), durch eine gezielte Reaktion einzelner, vorab additiv aufgebrachter Schichten bzw. durch Diffusion zwischen einzelnen vorab aufgebrachten Schichten hergestellt werden.The additive method according to the invention consequently makes it possible for components to be made from tailor-made metallic structures consisting of a number of materials/elements, such as e.g. B. intermetallic phases (in this case titanium aluminides) can be produced by a targeted reaction of individual layers applied additively in advance or by diffusion between individual layers applied in advance.

Somit erlaubt dieses Verfahren das Herstellen metallischer Formkörper aus Werkstoffgemischen, die sich mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, z. B. aufgrund von Entmischungseffekten des vor der additiven Fertigung bereits legierten Werkstoffes, nur mit großem technischen Aufwand homogen und mit der gewünschten Materialzusammensetzung herstellen lassen.Thus, this method allows the production of metallic moldings from material mixtures, which can be combined with methods known from the prior art, e.g. B. due to demixing effects of the material already alloyed before additive manufacturing, can only be produced homogeneously and with the desired material composition with great technical effort.

Die Erfindung ist anwendbar auf bekannte additive Verfahren (wie z. B. Lasersintern, Laserschmelzen, formgebendes Schweißen, US-Schweißen etc.), mittels der einzelnen Schichten in unterschiedlicher Dicke von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Millimetern erzeugt werden können.The invention can be applied to known additive processes (such as, for example, laser sintering, laser melting, shaping welding, US welding, etc.), by means of which individual layers can be produced with different thicknesses ranging from a few micrometers to several millimeters.

Indem die gewünschte Werkstoffzusammensetzung erst beim „Drucken“ des Bauteils direkt erzeugt wird, ist eine sehr genaue Anpassung und Variation der jeweiligen Werkstoffzusammensetzung in den Schichten bzw. lokalen Bereichen des Formkörpers ermöglicht, sodass ein massives Bauteil herstellbar ist, welches z. B. aufgrund der jeweils ausgewählten Legierungszusammensetzung an der einen Seite temperaturbeständig, an einer anderen Seite korrosionsbeständig und in der Mitte besonders fest ist. Die sich aus der Erfindung ergebenen Möglichkeiten sind - wie grundsätzlich ausgeführt - sehr vielfältig, da z. B. in einem Mehrbrennersystem die unterschiedlichsten Drahtwerkstoffe neben- oder übereinander lokal und in unterschiedlichen Volumenverhältnissen (weitestgehend) unvermischt abgeschieden werden können.Since the desired material composition is only generated directly when the component is "printed", a very precise adjustment and variation of the respective material composition in the layers or local areas of the molded body is made possible, so that a solid component can be produced, which z. B. due to the selected alloy composition on the one hand temperature-resistant, on the other hand corrosion-resistant and particularly strong in the middle. The possibilities resulting from the invention are - as stated in principle - very diverse, since z. B. in a multi-torch system, the most diverse wire materials can be deposited next to or on top of each other locally and in different volume ratios (largely) unmixed.

Das Mischungsverhältnis der einzelnen Werkstoffe kann erfindungsgemäß veränderlich sein, d. h., die Materialzusammensetzung des Werkstoffgemischs nach der Gefügebildung kann in weiten Grenzen durch die Mengen der jeweiligen unvermischt schmelzflüssig aufgebrachten Ausgangswerkstoffe eingestellt werden.The mixing ratio of the individual materials can be variable according to the invention, i. This means that the material composition of the material mixture after the microstructure has been formed can be adjusted within wide limits by the quantities of the respective starting materials that are applied in an unmixed molten state.

Darüber hinaus lassen sich spezifische Schichtsysteme aus verschiedenen Werkstoffen erzeugen, die dann in dem nachfolgenden Prozess in intermetallische Phasen umgewandelt werden, wobei beispielsweise Seigerungseffekte vermieden werden können.In addition, specific layer systems can be created from different materials, which are then converted into intermetallic phases in the subsequent process, whereby segregation effects, for example, can be avoided.

Vorteile der Erfindung bestehen auch darin, dass das gewünschte Werkstoffsystem (Legierung, intermetallische Phase o. Ä.) erst im Formkörper, d. h. nach der getrennten Abscheidung, erzeugt wird. Damit können bisher gegebene, fertigungsbedingte Restriktionen sowohl in der Herstellung von vorlegierten Ausgangswerkstoffen (z. B. Ziehen des Drahtes) als auch im Erzeugungsprozess des Bauteils (z. B. Gießen) umgangen werden. Durch den lagenweisen Aufbau im Sinne der generativen Fertigung kann ein spezifisches Werkstoffsystem mit lokal definierten und auch lokal veränderlichen Eigenschaften erzeugt werden. Somit lassen sich innerhalb eines massiven Bauteils die spezifischen Werkstoffeigenschaften (aufgrund der lokal variierbaren Zusammensetzung) verändern oder es lassen sich vollkommen neue metallische Werkstoffgemische, d. h. Werkstoffsysteme, durch wechselweisen lagenförmigen Aufbau und nachfolgendem Umwandlungsprozess erzeugen.Advantages of the invention also consist in the fact that the desired material system (alloy, intermetallic phase, etc.) can only be used in the shaped body, i. H. after separate deposition. This means that previous production-related restrictions can be circumvented both in the production of pre-alloyed starting materials (e.g. drawing the wire) and in the production process of the component (e.g. casting). A specific material system with locally defined and also locally variable properties can be created through the layered structure in the sense of generative manufacturing. Thus, within a solid component, the specific material properties (due to the locally variable composition) can be changed or completely new metallic material mixtures, i. H. Create material systems through alternating layered structure and subsequent conversion process.

Es kann vorgesehen sein, die unterschiedlichen, zu dem Werkstoffsystem zu verbindenden Ausgangswerkstoffe zeitgleich, aber voneinander räumlich getrennt (sodass eine Vermischung vor deren Erstarrung weitestgehend vermieden wird), z. B. mittels eines Mehrbrennersystems, lagenweise aufzubringen. So kann eine Lage des ersten Werkstoffes aufgebracht und unmittelbar auf diese Lage des ersten Werkstoffes (an einer Position, an der der schmelzflüssig aufgebrachte Werkstoff bereits erstarrt ist) unterdessen schon eine neue Lage des zweiten Werkstoffes aufgebracht werden.It can be provided that the different starting materials to be combined to form the material system are simultaneously but spatially separated from one another (so that mixing before they solidify is largely avoided), e.g. B. by means of a multi-torch system to apply in layers. A layer of the first material can be applied and a new layer of the second material can be applied directly to this layer of the first material (at a position at which the molten material applied has already solidified).

Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird der schichtweise aufzubauende Formkörper während der Gefügebildung mittels eines Wärmeübertragungsfluids temperiert, d. h. gekühlt oder erwärmt. Durch eine definierte Wärmeführung lässt sich in vorteilhafter Weise die Werkstoffzusammensetzung ebenfalls beeinflussen. Als Wärmeübertragungsfluid kann hierbei ein Prozessgas oder eine korrosionsverhütende Flüssigkeit verwendet werden, wobei der Formkörper vollständig von dem Wärmeübertragungsfluid eingeschlossen bzw. umspült sein kann.According to one embodiment variant, the shaped body to be built up in layers is tempered during the formation of the microstructure by means of a heat transfer fluid, i. H. chilled or heated. The composition of the material can also be influenced in an advantageous manner by means of a defined heat conduction. A process gas or an anti-corrosion liquid can be used as the heat transfer fluid, it being possible for the shaped body to be completely enclosed or surrounded by the heat transfer fluid.

Es kann auch vorgesehen sein, den schichtweisen Aufbau unter Prozessgasatmosphäre durchzuführen, wobei durch Veränderung der Zusammensetzung des Prozessgases während des Erstarrens der Schmelze und/oder während der Gefügebildung das Ausbilden des metallischen Werkstoffgemischs in der gewünschten Zusammensetzung beeinflusst werden kann.It can also be provided to carry out the layered construction in a process gas atmosphere, in which case the formation of the metallic material mixture in the desired composition can be influenced by changing the composition of the process gas during the solidification of the melt and/or during the formation of the microstructure.

Das erfindungsgemäße Verfahrenzum additiven Fertigen eines Titanaluminid-Formkörpers für Hochtemperaturanwendungen, wird nachfolgend anhand einer Figur näher dargestellt.The method according to the invention for the additive manufacturing of a titanium aluminide shaped body for high-temperature applications is illustrated in more detail below with the aid of a figure.

Die Figur zeigt ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Bauteiles aus einer Ti-Al-Legierung, wobei die Gefügebildung über SHS realisiert wird.The figure shows a method for the additive manufacturing of a component made of a Ti-Al alloy, with the structure being formed via SHS.

In diesem Beispiel wird TiB₂ als erster Ausgangswerkstoff 2, da mit diesem Werkstoff eine beschleunigte Gefügebildung über SHS möglich ist, und Aluminium als zweiter Ausgangswerkstoff 3 abgeschieden.In this example, TiB ₂ is deposited as the first starting material 2 , since accelerated structure formation via SHS is possible with this material, and aluminum is deposited as the second starting material 3 .

In einem ersten Schritt werden abwechselnd jeweils von dem ersten drahtförmigen Ausgangswerkstoff 2 (TiB₂) mittels des Lichtbogens 4 eine Titan-haltige Schicht 1.1 und dem zweiten drahtförmigen Ausgangswerkstoff 3 (Al) jeweils eine Al-haltige Schicht 1.2 auf dem Druckertisch 5 bzw. dem Schichtstapel 1 aufgetragen. In diesem Beispiel sind die Schichtdicken stark vergrößert dargestellt.In a first step, a titanium-containing layer 1.1 and the second wire-shaped starting material ₃ (Al) are alternately applied to the printer table 5 or the Layer stack 1 applied. In this example, the layer thicknesses are shown greatly enlarged.

Nachdem der Schichtstapel 1 fertiggestellt wurde, wird durch SHS die Gefügebildung zur Erzeugung des Titanaluminids γ-TiAl (mit 50 bis 55 % Aluminium) über Diffusion zwischen den AI-Schichten (1.2) und den TiB₂-Schichten (1.1) sowie eine unterstützende Wärmebehandlung durchgeführt. Der Umwandlungsprozess wird dabei über die Einbringung von äußerer Energie mittels des kurzen Laserpulses 6 gestartet, wodurch die exotherne Reaktion zu γ-TiAl initiiert wird. Die Gefügebildung über SHS pflanzt sich durch den Schichtstapel 1 unter Ausbildung des metallischen Werkstoffgemischs 7, d. h. der Ti-Al-Legierung, fort. Die dabei entstehende Prozesswärme wird zur Beschleunigung des Vorganges genutzt. Zusätzlich wird über die Schutzgaszufuhr 8 Schutzgas zugeführtAfter the layer stack 1 has been completed, the microstructure for producing the titanium aluminide γ-TiAl (with 50 to 55% aluminum) is formed by SHS via diffusion between the Al layers (1.2) and the TiB ₂ layers (1.1) and a supporting heat treatment carried out. The conversion process is started by introducing external energy using the short laser pulse 6, which initiates the exothermic reaction to form γ-TiAl. The structure formation via SHS propagates through the layer stack 1 with the formation of the metallic material mixture 7, ie the Ti-Al alloy. The resulting process heat is used to accelerate the process. In addition, protective gas is supplied via the protective gas supply 8

BezugszeichenlisteReference List

11

Schichtstapel / RohkörperLayer stack / raw body

1.11.1

Titan-haltige SchichtTitanium containing layer

1.21.2

Al-haltige SchichtAl-containing layer

22

erster Ausgangswerkstoff / Titan-haltiger Drahtfirst starting material / wire containing titanium

33

zweiter Ausgangswerkstoff / Aluminiumdrahtsecond starting material / aluminum wire

44

LichtbogenElectric arc

55

Druckertischprinter table

66

Laserstrahllaser beam

77

metallisches Werkstoffgemisch / Legierungmetallic material mixture / alloy

88th

Schutzgaszufuhrshielding gas supply

Claims (7)

Verfahren zur Erzeugung eines metallischen Werkstoffgemischs bei der additiven Fertigung eines Formkörpers, wobei - für jeden Bereich des Formkörpers durch Materialbeschreibungsdaten eine Zusammensetzung des für diesen Bereich vorgesehenen Werkstoffgemischs (7) vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass - als ersten Ausgangswerkstoff (2) TiB₂ und als zweiten Ausgangswerkstoff (3) AI als mindestens zwei getrennt vorliegende, schmelzbare, metallhaltige, blech-, draht- oder pulverförmige Ausgangswerkstoffe (2, 3) mittels Energiezufuhr aufgeschmolzen und in schmelzflüssiger Form innerhalb von einzelnen, jeweils aufeinanderfolgenden Schichten (1.1, 1.2) entsprechend der Zusammensetzung des lokal im aufzubauenden Formkörper mittels der Ausgangswerkstoffe (2, 3) auszubildenden Werkstoffgemischs (7) jeweils getrennt voneinander abgeschieden werden, wobei ein Erstarren des jeweils abgeschiedenen Ausgangswerkstoffes (2) abgewartet wird, bevor ein anderer Ausgangswerkstoff (3) abgeschieden wird, und - nach dem vollständigen Abscheiden aller Schichten (1.1, 1.2) des zu fertigenden Formkörpers mittels Energiezufuhr durch einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl (6) die Zündung einer selbst propagierenden exothermen Reaktion zur Gefügebildung der getrennt in den Schichten (1.1, 1.2) abgeschiedenen Ausgangswerkstoffe (2, 3) unter jeweiliger Ausbildung des für jeden Bereich im Formkörper vorgegebenen metallischen Werkstoffgemischs (7) initiiert wird, - wobei der Formkörper während der Gefügebildung zusätzlich temperiert wird.Method for producing a metallic material mixture in the additive manufacturing of a shaped body, wherein - for each area of the shaped body, a composition of the material mixture (7) provided for this area is specified by material description data, characterized in that - the first starting material (2) is TiB ₂ and as the second starting material (3) Al as at least two separate, meltable, metal-containing, sheet, wire or powder starting materials (2, 3) melted by means of energy supply and in molten form within individual, respectively successive layers (1.1, 1.2) accordingly the composition of the material mixture (7) to be formed locally in the shaped body to be constructed by means of the starting materials (2, 3) are deposited separately from one another, with the respectively deposited starting material (2) waiting to solidify before another starting material (3) is deposited w ird, and - after the complete deposition of all layers (1.1, 1.2) of the shaped body to be produced by supplying energy by means of an arc or a laser beam (6), the ignition of a self-propagating exothermic reaction to form the structure of the layers (1.1, 1.2) deposited separately Starting materials (2, 3) is initiated with the respective formation of the metallic material mixture (7) specified for each area in the shaped body, - the shaped body being additionally tempered during the structure formation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Gefügebildung eine Zusammensetzung einer den Formkörper umgebenden Prozessgasatmosphäre verändert wird.procedure after claim 1 , characterized in that a composition of a process gas atmosphere surrounding the shaped body is changed during the formation of the structure. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ausgangswerkstoffe (2, 3) jeweils separat in einer Schicht (1.1, 1.2) abgeschieden werden, wobei die Schichtdicke der jeweils aufeinander folgenden Schichten (1.1, 1.2) entsprechend der gemäß Materialbeschreibungsdaten vorgegebenen Zusammensetzung des Werkstoffgemischs (7) gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective starting materials (2, 3) are each deposited separately in a layer (1.1, 1.2), the layer thickness of the respective successive layers (1.1, 1.2) corresponding to the material description data specified Composition of the material mixture (7) is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswerkstoffe (2, 3) jeweils in einer gemeinsamen Schicht (1.1), aufweisend eine Vielzahl jeweils lokal abgegrenzter Bereiche der Ausgangswerkstoffe (2, 3), abgeschieden werden.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the starting materials (2, 3) are each deposited in a common layer (1.1) having a multiplicity of locally delimited areas of the starting materials (2, 3). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Temperierung ein Prozessgas verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a process gas is used for the temperature control. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine korrosionsverhütende Flüssigkeit für die Temperierung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an anti-corrosion liquid is used for the temperature control. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper vollständig von einem für die Temperierung verwendeten Wärmeübertragungsfluid eingeschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the shaped body is completely enclosed by a heat transfer fluid used for temperature control.

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