DE19631582A1

DE19631582A1 - Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Legierungspulvern

Info

Publication number: DE19631582A1
Application number: DE19631582A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Gerling; Frank-Peter Dr Schimansky; Hartmut Dr Goehler
Original assignee: Tls Technik & Co Spezialp GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Tls Technik & Co Spezialp GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-02-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Legierungspulvern, bei dem zunächst aus den eine Legierung bildenden Legierungs komponenten eine Elektrode hergestellt wird, die nach folgend zum Erhalt des Legierungspulvers zerstäubt wird.

Bei der bisherigen Herstellung von Legierungspulvern werden zunächst die die späteren Legierungspulver bil denden Legierungsbestandteile zusammen aufgeschmolzen, wobei nachfolgend die Legierung durch mehrfaches Um schmelzen homogenisiert wird. Das Erschmelzen der Legierung erfolgt beispielsweise in eine Vakuumlicht bogenofen, einem Kaltwandinduktionsofen oder einem Plasmaschmelzofen. Die sich daran anschließende eigent liche Herstellung des Legierungspulvers kann dann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So sind im Stand der Technik beispielsweise eine Gaszerstäubung eines Schmelzestrahls, oder die Zerstäubung einer Schmelze dadurch, daß der Schmelzestrahl auf eine schnell rotie rende Scheibe fällt, bekannt, wobei die Schmelze von der Scheibe abgeschleudert wird, wodurch die Schmelze in feine Tropfen aufgebrochen wird, die dann aufgefangen werden, bewirkt, oder es wird eine Elektrode, die aus den gewünschten Legierungsbestandteilen besteht, in schnelle Rotation versetzt und an einem Ende aufge schmolzen, so daß feine Schmelztröpfchen abgeschleudert und aufgefangen werden, die das Legierungspulver bilden. Schließlich ist eine Legierungspulverherstellung durch mechanisches Legieren möglich.

Eine Ausführungsform der zuerst genannten Art der Pulverherstellung, nämlich die Gaszerstäubung eines Schmelzstrahls, wird als sogenannte EIGA-Technik (Electrode-Induction-Melting-Gas-atomisation) bezeich net. Bei dieser Technik taucht das untere Ende einer hängenden Legierungselektrode in eine Induktionsspule ein, wobei im Leistungsbetrieb der Spule das untere Ende der Elektrode aufgeschmolzen wird, so daß einzelne Tropfen abfallen, die dann durch eine Zerstäubungsein richtung geleitet werden und dort in feine Tröpfchen zerteilt werden. Diese sogenannte EIGA-Technik wird in der DE-OS 41 02 101 beschrieben.

Für die voraufgeführten bekannten Verfahren ist für die Legierungspulverherstellung als Ausgangswerkstoff eine Legierung entweder als Legierungsschmelze oder als Legierungselektrode erforderlich. Die Herstellung einer Legierungsschmelze oder einer Legierungselektrode erfordert hohen technischen Aufwand, beispielsweise entsprechende Öfen, Kokillen und dergleichen, sowie einem hohen Aufwand an Energie und einen hohen Zeitauf wand. Beim vorangehend ebenfalls angesprochenen mecha nischen Legieren verursacht das Vorhandensein von Verunreinigungen Probleme, beispielsweise in Form einer Aufnahme von Sauerstoff durch sogenannte Mahlhilfen, in Form organischer Flüssigkeiten oder die Aufnahme bei spielsweise von Eisen durch Abrieb von Mahllkugeln oder Mahl bechern.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Erzeugnis aus Legierungspulver auf einfache Weise herstellen zu können, d. h. ohne großen apparativen, energiebedarfsmäßigen und zeitlichen Aufwand, wobei das mittels des Verfahrens hergestellte Erzeugnis schnell und kostengünstig herstellbar sein soll und einen von Verunreinigung freien hohen Reinheitsgrad aufweisen soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Ausbildung der Legierungselektrode durch Pressung und/oder Sintern der pulverförmigen Legierungskomponen ten zu einer Elektrode erfolgt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung bezüglich des Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß eine Legie rungselektrode verwendet wird, die weder gegossen noch mechanisch legiert ist, wobei beim Aufschmelzen der Legierungselektrode durch die Induktionsspule durch Reaktion der pulverförmigen Komponenten untereinander die Vermischung der Legierungsbestandteile stattfindet, und wobei die dann abfallenden Schmelztröpfchen bereits die endgültige Legierungszusammensetzung haben und bei dem anschließenden Zerstäuben das eigentlich Legie rungspulver entsteht.

Ein weiterer Vorteil ist, daß für die Elektrodenher stellung keine Öfen bzw. Abgießkokillen nötig sind und, wie angestrebt, auf ggf. schon im Handel erhältliche Pulver, die die einzelnen Legierungskomponenten bilden, auf kostengünstige Weise zurückgegriffen werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die pulverförmigen Legierungskomponenten in Form elementaren Pulvers oder auch bei einer anderen vor teilhaften Ausführungsform in Form von Legierungspulver vorliegen, wobei sowohl bei der einen Ausgestaltung als auch bei der anderen Ausgestaltung jeweils auf ggf. schon im Handel erhältliche Produkte zurückgegriffen werden kann.

Für bestimmte Anwendungsfälle hat es sich als vorteil haft herausgestellt, bei bestimmten Erzeugnissen, die mittels der erfindungsgemäß herstellbaren Legierungs pulvern realisiert werden sollen, Verstärkungswerkstoffe mit in das Erzeugnis einzubauen, was bisher bei der sogenannten bekannten Sprühformtechnik dadurch bewirkt wurde, daß in die Flugbahn der zerstäubten Legierungs tröpfchen eine Auffangeinrichtung (collector) gebracht wurde, wobei auf dieser Auffangeinrichtung dann ein Substrat aufwächst. Zur Herstellung von faserverstärkten Erzeugnissen oder auch nur faserverstärkten Werkstoffen aus dem Legierungspulver wurden dann zusätzlich unter halb der Zerstäubungseinrichtung Fasern eingeblasen, die sich zusammen mit den Legierungströpfchen auf dem Substrat niederlassen.

Bei dem herkömmlichen Verfahren wurden dafür neben den mittels im Stand der Technik bekannter obiger Verfahren hergestellten Legierungselektroden oder der oben er wähnten Legierungsschmelze für den Zusatz an Faserverstärkungsmittel n eine zusätzliche Einrichtung für das Einblasen der Fasern benötigt, was ebenfalls einen zusätzlichen apparativen Aufwand, einen hohen Energieaufwand und einen zusätzlichen zeitlichen Aufwand bedeutet.

Um auch das erfindungsgemäße Verfahren für derartige Zwecke auszubilden, ist es vorteilhaft, vor dem Pressen und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die pulverförmi gen Legierungskomponenten einzubringen, was beispiels weise durch das Zu- oder Einmischen von Fasern zu den Pulvern vor dem Pressen erfolgen kann. Auf vorangehend beschriebene Weise kann dann auch eine kompakte, faser verstärkte Legierung aus den Legierungspulvern in Form eines geformten Substrats oder eines entsprechenden Werkstoffs schlechthin geschaffen werden. Auf eine zusätzliche Einsprühvorrichtung wie im Falle der im Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Faser verstärkung kann verzichtet werden.

Vielfach ist es sinnvoll, die jeweiligen Legierungskom ponenten bei dem Aufbau eines Werkstoffs aus dem er findungsgemäßen Legierungspulver zu variieren, d. h. beispielsweise im Dickenverlauf eines Werkstoffs oder eines formgebildeten Substrats mit unterschiedlichen Anteilen auszubilden. Man spricht in diesem Zusammenhang von sogenannten Gradientenwerkstoffen. Solche Werkstoffe wurden bisher dadurch hergestellt, daß man das Le gierungspulver bzw. die Legierungspulvermischungen in einen Behälter füllt. Um zu einem gradierten Aufbau zu gelangen, wurde dabei die Zusammensetzung der Legie rungspulvermischung entlang des Füllweges des Behälters verändert. Um zu einem kompakten gradierten Werkstoff zu gelangen, wurde die gradierte Legierungspulvermischung verdichtet, was beispielsweise durch Sintern oder heiß-isostatisches Pressen geschehen konnte. D.h. mit anderen Worten, daß bisher zunächst Legierungspulver hergestellt werden mußte, wobei anschließend das Pulver geeignet gemischt, geschichtet und schließlich verdich tet werden mußte. Diese bisherige Vorgehensweise ist verhältnismäßig aufwendig und nur mit verhältnismäßig hohem apparativen Aufwand durchführbar.

Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Verfahren vorteilhafterweise derart auszugestalten, daß die Legierungselektrode längs ihrer Länge eine unter schiedliche Verteilung von Legierungskomponenten auf weist, was den Vorteil hat, daß, anders als bei der vorgenannten herkömmlichen Technik, die Ungenauigkeiten, die beispielweise bei der Befüllung im Zusammenhang mit dem Füllweg des Behälters auftreten, vermieden werden, und im Vergleich zur herkömmlichen Technik das Kompak tieren des Pulvers zur Herstellung des Werkstoffes bzw. des geformten Substrats vermieden wird.

Erfindungsgemäß kann deshalb vorteilhafterweise auch die Mischung der die Längskomponenten bildenden Elementar pulver eine längs der Länge der Legierungselektrode unterschiedliche Verteilung von Legierungskomponenten aufweisen oder die Mischung der die Legierungskompo nenten bildenden Legierungspulver kann vorteilhafter weise eine längs der Länge der Legierungselektroden ebenfalls unterschiedliche Verteilung von Legierungs komponenten aufweisen. Durch die entsprechende Variation kann beispielsweise ein Werkstoff in bezug auf seine Zusammensetzung im Querschnitt gezielt aufgebaut werden, was gleichermaßen für ein entsprechendes Substrat bzw. Produkt gilt.

Um einen derartigen gezielten Aufbau ggf. noch gezielter vornehmen zu können, ist es vorteilhafterweise möglich, die jeweiligen Legierungskomponenten in jeweiligen kompakten Bereichen in der Legierungselektrode anzuord nen.

Vorteilhaft ist es auch, daß die Legierungselektrode aus einer Mehrzahl von drahtförmigen Legierungselementen gebildet wird, wobei die Elemente durch jeweils unter schiedliche Legierungen gebildet sein können.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das Erzeugnis nach der Beaufschlagung des zerstäubbaren Werkstoffs der Legie rungselektrode nach dem Austritt aus der Zerstäubungs einrichtung und dem Auffangen entsprechend der Längs verteilung der Legierungskomponenten der Legierungs elektrode im wesentlichen entsprechend in seinem Längs querschnitt ausgebildet ist, so daß auf einfache Weise auch ein gezielt gradiert aufgebautes Erzeugnis aufge baut werden kann.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren derart betrieben, daß der Druck beim Zerstäubungsvorgang, bei dem die Zerstäubungseinrichtung betrieben wird, zu Null geht, so daß quasi ein abgegossenes Ereignis entsteht.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, nach dem Austritt des zerstäubten Werkstoffs der Legierungselektrode aus der Zerstäubungseinrichtung zusätzlich oder alternativ Fasern in die Bewegungsbahn des zerstäubten Werkstoffs einzubringen, um auch derart faserverstärkte Erzeugnisse aus Legierungspulvern zu schaffen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens in ihrer grundsätzlichen Ausgestal tung,

Fig. 2 eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Fig. 1, bei der jedoch anders als in der Anordnung von Fig. 1 die Legierungselektrode aus kompakten Bereichen unterschiedlicher
Legierungskomponenten gebildet wird (jeweils schräg gestrichelte Legierungskomponenten),

Fig. 3 eine Röntgenbeugungsaufnahme von TiAl Legie rungspulver, das mit der sogenannten EIGA-Tech nik unter Verwendung einer aus den Elemen tarpulvern Titan und Aluminium gepreßten Elektrode hergestellt worden ist, und

Fig. 4 eine Schliffbildaufnahme eines Legierungspul verteilchens der Größenfraktion 125 bis 180 µm.

In Fig. 1 ist eine typische Anordnung zur Ausführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Diese Anordnung wird verwendet, um die gemäß der Erfindung hergestellten Legierungselektroden 10 für das erfindungsgemäß herzu stellende Legierungspulver 16 herzustellen, das bei spielsweise für ein Erzeugnis in Form eines Werkstoffs bzw. eines Substrats 17, das ggf. in Form eines Form teils ausgebildet sein kann, verwendet wird.

Der Kern der Anordnung ist die gemäß dem erfindungsge mäße Verfahren hergestellte Legierungselektrode 10.

Zur Herstellung der Legierungselektrode 10 werden pulverförmige Legierungskomponenten entsprechend der gewünschten Legierung und entsprechend den gewünschten Legierungsanteilen der Legierungskomponenten verwendet, wobei die pulverförmigen Legierungskomponenten in Form elementaren Pulvers und/oder in Form von Legierungspul ver vorliegen können. Diese Ausgangskomponenten können ggf. schon im Handel bezogen werden, d. h. sind hier nicht Gegenstand der Erfindung. Nach vorbestimmter Mischung der einzelnen Legierungskomponenten erfolgt eine Pressung und/oder ein Sintern der Legierungskompo nenten zu der fertigen Legierungselektrode 10.

Anders als die bisherigen Verfahren zur Herstellung von Legierungselektroden, die im wesentlichen auf aufwendige Apparaturen wie z. B. Öfen und Kokillen zurückgreifen müssen, die also über den Weg der Legierungsschmelze gehen müssen, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Legierungselektrode lediglich durch Pressen und/oder Sintern hergestellt.

Nachdem die Legierungselektrode 10 erfindungsgemäß hergestellt worden ist, wird sie, vgl. die Fig. 1 und 2, um ihre Achse in Rotation versetzt und in ihrem Bereich, in dem eine Abschmelze erfolgen soll, einer Induktionsspule 11 ausgesetzt, wo dann durch Reaktion der elementaren Pulverkomponenten und/oder der Legie rungspulverkomponenten untereinander die Vermischung der Elemente stattfindet. Die abfallenden Schmelztröpfchen 12 haben dann bereits die gewünschte Legierungszusam mensetzung gemäß dem vorbestimmten Mischungsverhältnis bei der Herstellung der Legierungselektrode 10. Die Schmelztröpfchen 12 durchlaufen dann nachfolgend einen Bereich einer Zerstäubungseinrichtung 13, die geeignet ausgebildete Gaszerstäubungsdüsen 14 aufweisen. Die durch die Zerstäubungseinrichtung 13 unter Einfluß der Gaszerstäubungsdüsen 14 verdüsten Schmelztröpfchen 13 treten aus der Anordnung in Form des gewünschten Legie rungspulvers 16 aus und können dann einer gewünschten Weiterverwendung zugeführt werden.

In Fig. 2 wird mittels der Anordnung zur Ausführung des Verfahrens ein Substrat 17, das auch zunächst lediglich ein Werkstoff oder ein Zwischenprodukt (Halbzeug) sein kann, hergestellt. Im Unterschied zu der Anordnung zu Fig. 1 ist die Anordnung gemäß Fig. 2 um eine Auffang einrichtung bzw. einen Kollektor 15 ergänzt, der unter halb des aus der Anordnung austretenden Legierungspul vers 16 angeordnet ist. Die Legierungselektrode 10 gemäß Fig. 2 weist zudem noch das Charakteristikum auf, das diese bestimmte Bereiche aufweist (in Fig. 2 zur ent sprechenden Darstellung der unterschiedlichen Bereiche in unterschiedlicher Weise schraffiert), die beispiels weise aus verschiedenen elementaren und/oder Legie rungskomponenten zusammengesetzt werden können. Diese Anordnung von Fig. 2 wird, wie erwähnt, genauso be trieben wie die Anordnung von Fig. 1. Das hat zur Folge, daß das auf dem Kollektor sich sammelnde Substrat 17 einen im vertikalen Schnitt entsprechenden Aufbau entsprechend dem Aufbau gemäß dem vertikalen Schnitt der Legierungselektrode 10 aufweist. Entsprechend dem Aufbau der Legierungselektrode 10 ist somit das Substrat 17 gezielt aufbaubar, wobei man in diesem Zusammenhang von der Herstellung eines Gradientenwerkstoffs bzw. eines Gradientensubstrats spricht.

Der beschriebene Aufbau kompakter Legierungsbereiche in der Legierungselektrode 10 gemäß Fig. 2 ist hier nur beispielhaft anzusehen. Es ist natürlich auch möglich, durch entsprechende übergangslose Schichtung bzw. Mischung der einzelnen elementaren bzw. Legierungskom ponenten, die die Legierungselektrode 10 bilden, einen stetigen Verlauf bzw. Übergang der die Legierung bil denden pulverförmigen Komponenten in Längsrichtung der Legierungselektrode 10 vorzusehen. Dementsprechend wird sich im vertikalen Schnitt auch das Substrat 17 stetig in seiner Zusammensetzung verändern, d. h. keine Schich tungsgrenzflächen, anders als in der Darstellung von Fig. 2, ausbilden.

Hier nicht gesondert dargestellt, aber in den Legie rungselektroden 10 ausbildbar, können vor dem Pressen und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die Legierungs komponenten eingebracht werden, so daß Legierungspulver 16 mit Verstärkungselementen als Bestandteil erzeugbar sind bzw. Substrate 17 erzeugt werden können, die ent sprechend Verstärkungsfasern enthalten.

Die in Fig. 3 dargestellte Röntgenbeugungsaufnahme von mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten TiAl Legierungspulver unter Verwendung einer aus den Elementarpulvern Titan und Aluminium gepreßten Le gierungselektrode zeigt nur Reflexe der γ-TiAl und der α₂ - Ti₃ Al Phase, womit nachgewiesen ist daß tat sächlich eine vollständige Legierungsbildung stattge funden hat.

Die Abbildung gemäß Fig. 4 zeigt eine Schliffbildauf nahme eines Legierungspulverteilchens der Größenfraktion 125-180 µm. Die Präsenz der α₂ - Ti₃ Al Phase (dunkle Bereiche) und der γ-TiAl Phase (helle Bereiche) zeigen, daß tatsächlich eine Legierungsbildung stattgefunden hat.

1. Beispiel Herstellung von TiAl Legierungspulver

Es werden die elementaren Pulver 50% Titanpulver und 50 % Aluminiumpulver gemischt und zu einer Elektrode gepreßt. Mit der EIGA-Technik wird Legierungspulver hergestellt.

Nachfolgende röntgenographische Untersuchungen bestäti gen die Legierungsbildung zu TiAl (Fig. 3). Metallogra phische Untersuchungen an einzelnen Pulverteilchen bestätigen ebenfalls, daß eine Legierungsbildung statt gefunden hat (Fig. 4).

2. Beispiel Herstellung von Zr 30 Ni Legierungspulver

Es werden die elementaren Pulver 70% Zirkonpulver und 30% Nickelpulver gemischt und anschließend gepreßt. Mit der EIGA-Technik wird Legierungspulver hergestellt.

3. Beispiel Herstellung von Ti 48Al 2Cr 2Nb Legie rungspulver

Es werden das elementare Pulver 48% Titanpulver und das Legierungspulver 52% AlCRNb gemischt und gepreßt. Mit der EIGA-Technik wird das Legierungspulver hergestellt.

Bezugszeichenliste

10 Legierungselektrode
11 Induktionsspule
12 Schmelztröpfchen
13 Zerstäubungseinrichtung
14 Gaszerstäubungsdüse
15 Kollektor
16 Legierungspulver (verdüste Schmelztröpfchen)
17 Substrat

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Legierungspulvern, bei dem zunächst aus den eine Legie rung bildenden Legierungskomponenten eine Legierungse lektrode hergestellt wird, die nachfolgend zum Erhalt des Legierungspulvers zerstäubt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausbildung der Legierungselektrode durch Pressung und/oder Sintern pulverförmiger Legie rungskomponenten zu einer Elektrode erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Legierungskomponenten Elementar pulver sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Legierungskomponenten Legie rungspulver sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Pressen und/oder Sintern Verstärkungsfasern in die Legierungs komponenten eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselek trode längs ihrer Länge eine unterschiedliche Verteilung von Legierungskomponenten aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der die Legierungskomponenten bildenden Elementarpulver eine der längs der Länge der Legie rungselektrode unterschiedliche Verteilung von Legie rungskomponenten aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der die Legierungskomponenten bildenden Legierungspulver eine längs der Länge der Legierungse lektrode unterschiedliche Verteilung von Legierungs komponenten aufweist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Legierungskomponenten in jeweiligen kompakten Bereichen in der Legierungselektrode angeordnet sind.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselek trode aus einer Mehrzahl von drahtförmigen Legierungs elektrodenelementen gebildet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zerstäubbare Werkstoff der Legierungselektrode nach dem Austritt aus einer Zerstäubungseinrichtung und dem Auffangen ent sprechend der Längsverteilung der Legierungskomponenten in der Legierungselektrode im wesentlichen entsprechend in seinem Längsquerschnitt ausgebildet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Austritt des zerstäubten Werkstoffs der Legie rungselektrode aus der Zerstäubungseinrichtung Fasern in die Bewegungsbahn des zerstäubten Werkstoffs eingebracht werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Zerstäubung, bei dem die Zerstäubungseinrichtung be trieben wird, zu Null gehend eingestellt wird.