DE19722416A1

DE19722416A1 - Verfahren zur Herstellung von hochdichten Bauteilen auf der Basis intermetallischer Phasen

Info

Publication number: DE19722416A1
Application number: DE19722416A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Boehm; Bernd Prof Dr Ing Kieback; Roland Dr Rer Nat Scholl; Thomas Dr Ing Juengling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: DE19722416B4

Description

Für viele Anwendungen im Bereich der hochschmelzenden und schwer sinterbaren Werkstoffe und Bauteile auf der Basis intermetallischer Phasen ist die pulvermetallurgische Herstellung von Bauteilen durch Auftreten von Schwelleffekten während des Sinterprozesses erschwert. Werkstoffe, die in technischen Anlagen, deren Betrieb hohe Temperaturen verlangt, z. B. besonders im Motoren und Triebwerkbau eingesetzt werden sollen, müssen neben guten Hochtemperatureigenschaften auch hohe Festigkeit, Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Umgebungsmedien aufweisen. Die Herstellung derartiger Werkstoffe kann durch folgende Prozesse erfolgen:

1. schmelzmetallurgische Verfahren,
2. selbstfortschreitende Hochtemperatursynthese,
3. mechanisches Legieren von Elementpulvermischungen oder Vorlegierungspulvern in sauerstoffreier Atmosphäre,
4. Reaktionspulvermetallurgie zur Herstellung poröser Werkstoffe,
5. Schnellerstarrungsprozeß zur Erzeugung übersättigter Legierungen.

Die Erzeugung von Bauteilen erfolgt durch:

1. Gießen,
2. Elementpulvermetallurgie mit Anwendung hoher Drücke während oder nach der Wärmebehandlung bzw. Phasenbildung mit nachfolgender Endbearbeitung,
3. pulvermetallurgische Verarbeitung von Vorlegierungspulvern unter Anwendung von Heißpressen oder heißisostatisches Pressen (HIP),
4. Metallpulverspritzguß (MIM),
5. druckloses Sintem von Fertiglegierungspulvern,
6. pulvermetallurgische Verarbeitung von mechanisch legierten Pulvern unter Anwendung von Heißpressen oder heißisostatischem Pressen (HIP),
7. druckloses Sintern von mechanisch aktivierten, feindispersen Pulvern (Hochenergiemahlen).

Von den schmelzmetallurgischen Verfahren sind für diese Werkstoffgruppe besonders gußtechnische Verfahren relevant. Auf diesem Herstellungsweg werden hohe Dichten erreicht, jedoch bei grobkörnigem Gefüge und mit hohem Energieaufwand. Die definierte Zugabe von Verstärkungskomponenten ist gußtechnisch nicht möglich. Größere Bauteile weisen zudem für die Eigenschaften ungünstige, ungleichmäßige Gußgefüge auf. Die Reaktionspulvermetallurgie auf der Basis von Elementpulvermischungen führt über druckloses Sintern zur Bildung der gewünschten intermetallischen Phase. Während der Phasenbildung treten jedoch Schwelleffekte auf, die zu einer bleibenden Porosität nach Abschluß des Sinterns führen. Um diesen Prozeß zu unterbinden, erfolgt die Konsolidierung zu dichten Körpern durch HIP. Da das konventionelle Sintern nicht zu einer geschlossenen Porosität führt (Voraussetzung für kapselloses HIP), ist für das HIP der genannten Werkstoffe eine Kapselung der Ausgangspulvermischung erforderlich. Das HIP einschließlich der Kapselung ist mit hohen Prozeßkosten verbunden. Das Heißpressen oder HIP von Vorlegierungen führt zu hohen Dichten. Es sind nur Bauteile mit einfachen Geometrien herstellbar. Komplizierte Bauteile sind nur durch Nachbearbeitung zu fertigen. Für das MIM werden die eingesetzten Legierungspulver mit einem organischen Binder vermischt. Nach der Formgebung ist ein Austreiben des Binders und ein Fertigsintern der Bauteile erforderlich. Da die Sintertemperatur bei <0.8 Ts liegt, ist der Prozeß energieintensiv und führt teilweise zum Verzug von Teilen und nachfolgender Endbearbeitung. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung komplizierter Bauteile, ist jedoch für reaktionsfähige Pulver (Ti, Al usw.) ungeeignet. Über konventionelles Festphasensintern einphasiger Legierungspulver ist die Herstellung von Bauteilen mit geschlossener Porosität möglich. Dieses Verfahren erfordert jedoch hohe Sintertemperaturen bei langen Sinterzeiten und führt oft zu groben Gefügezuständen. Die Herstellung feindisperser Pulverzustände durch Hochenergiemahlen erfordert lange Mahldauern. Das Verfahren ist nur für die Herstellung geringer Pulvermengen geeignet.

Aus der DE 44 18 598 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte bekannt, bei dem jedoch eine aufwendige Herstellung feindisperser Pulverzustände (100 bis 1000 nm) erforderlich ist, um ein aktiviertes Sinterverhalten der Pulver zu erhalten. In "The influence of particle coating on the sintering behaviour of iron powder", Proc. of Word Conference on PM (1994), 2143-2146) ist die Verwendung von Verbundpulvern zur Herstellung von Sinterkörpern beschrieben. Jedoch dient hier die Pulverbeschichtung zur Einstellung einer transienten flüssigen Phase zur Aktivierung des Sinterns, wofür lediglich geringe Gehalte der beschichtenden Phase notwendig sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung von hochdichten, nicht porösen Bauteilen auf der Basis intermetallischer Phasen aus Verbundpulvern erlaubt.

Das Verfahren besitzt gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß aus kosten günstigen Ausgangsstoffen Bauteile mit hoher Dichte durch druckloses Sintern hergestellt werden können. Eine etwaige weitere Verdichtung der Bauteile durch, im Vergleich zum HIP mit Kapsel, kostengünstiges kapselloses HIP ist aufgrund der nach dem Sintern vorliegenden geschlossenen Porosität möglich. Das hier angegebene Verfahren nutzt den überraschenden Effekt, daß beim Einsatz von Verbundpulvern, die aus einer duktilen und einer bedeutend weniger duktilen Komponente leicht herzustellen sind, trotz Überschreitens des Schmelzpunktes einer der Komponenten beim Sintern kein Schwelleffekt bei der Phasen bildung auftritt. Neben der mit geringem Kostenaufwand erreichbaren hohen Dichte liegt ein weiterer Vorteil des Verfahrens im isotropen Schwindungsverhalten bei der Wärmebehandlung im Gegensatz zum Schwindungsverhalten von stark umgeformten Zuständen nach dem Strangpressen. Dadurch ist die Herstellung endformnaher komplexer Bauteile durch direktes Pressen und Sintern möglich.

Der der Erfindung zugrundeliegende Lösungsweg zur Herstellung dichter Bauteile beruht auf dem überraschenden Effekt, daß bei Verwendung von in vorbedachter Weise hergestellten Verbundpulvern als Ausgangsmaterial für die Bauteilherstellung die bereits genannten Schwelleffekte ausbleiben oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden und die resultierenden hohen Gesamtschwindungen nach dem Sintern zur weitestgehenden Eliminierung des im Ausgangskörper vorhandenen Porenraumes führen. Erfindungsgemäß werden Element- oder Legierungspulver (Basispulver) mit einer im Vergleich zum Basispulver weichen Komponente (oft Al) beschichtet. Der Gehalt an beschichtender Komponente entspricht für jedes Verbundpulverteilchen annähernd dem Gehalt, der zur Ausbildung der jeweiligen intermetallischen Phase notwendig ist (daher liegt der Gehalt typischerweise bei <20 At.%). Das Beschichten der Basiskomponente kann gemäß Anspruch 4 durch chemische, physikalische, mechanische, galvanische, elektrolytische, stromlose oder andere Verfahren erfolgen. Ein derartiger Pulverzustand wird auch durch das Zerspanen stark umgeformten Strangpreßmaterials quer zur Strangpreßrichtung erzielt (siehe Ausführungsbeispiel). Das Pulver ist dadurch gekennzeichnet, daß im konsolidierten Pulverpreßling keine Kontakte des Basispulvers vorliegen. Die jeweiligen Verbundteilchen zeichnen sich im Preßzustand dadurch aus, daß die Basiskomponente in allen drei Raumrichtungen kontinuierlich gleich beschichtet ist. Während der folgenden Wärmebehandlung bleibt diese gleichmäßige Beschichtung bis zur vollständigen Umsetzung beider Ausgangsstoffe zur intermetallischen Phase kontinuierlich erhalten. Diffusionsprozesse zur Bildung der intermetallischen Phase finden nur innerhalb der jeweiligen Volumina der Verbundteilchen statt (Abb. 1).

Das Sintern des in der beschriebenen Weise ausgebildeten Pulvers führt bereits bei relativ geringen Temperaturen zu hinreichend dichten Körpern mit geschlossener Porosität.

Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehende Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, daß im verdichteten Pulverpreßling, d. h. nach dem Umformprozeß keine Kontakte zwischen den Teilchen des Basispulvers untereinander vorliegen. Die jeweiligen Verbundteilchen zeichnen sich im Preßzustand dadurch aus, daß die Basiskomponente in allen drei Raumrichtungen kontinuierlich gleich durch das andere Elementpulver, das weichere Elementpulver beschichtet" (Al) ist. Während der folgenden Wärmebehandlung bleibt diese gleichmäßige "Beschichtung" bis zur vollständigen Umsetzung beider Ausgangsstoffe zur intermetallischen Phase kontinuierlich erhalten. Diffusionsprozesse zur Bildung der intermetallischen Phase finden nur innerhalb der jeweiligen Volumina der Verbundteilchen statt.

Ausführungsbeispiele

1. Titanpulver (< 315 µm) und Al-Pulver (< 200 µm) werden im stöchiometrischen Verhältnis für 1,5 h in einem Taumelmischer gemischt. Um Entmischungen zu vermeiden, wird dem Gemisch ein organischer Binder (PVA-Lösung) zugesetzt. Das Gemisch wird kaltisostatisch zu einem Bolzen mit einem Durchmesser von 100 mm verdichtet. Der Bolzen wird in Al gekapselt und nachfolgend durch Strangpressen kalt umgeformt (Umformgrad 20). Das Halbzeug wird nach dem Entfernen der Kapsel in einer Fräsmaschine quer zur Preßrichtung unter Schutzgas (Argon) zerspant. Anschließend erfolgt eine einachsige Verdichtung des gewonnenen Pulvers (Matrizenpresse: 600 MPa) bis zu 75% der theoretischen Dichte (TD) des Materials.
Die Preßlinge werden mit einer Geschwindigkeit von 10 K/min auf 1350°C aufgeheizt und bei dieser Temperatur unter Argon-Partialdruck (+100 mbar) für 1 h gesintert. Die derartig wärmebehandelten Proben besitzen eine Dichte von < 94% TD und zeigen eine geschlossene Porosität. Durch einen anschließenden kapsellosen HIP-Zyklus (HIP: 1300°C, 1 h, 100 MPa) wurde die Dichte der Körper auf <99,5% TD erhöht.
2. Ti-Pulver mit einer Teilchengröße von 50-250 µm wird in einer Hochvakuum-Bedampfungs anlage mit Al bedampft. Dazu wird das Verdampfungsgut in Form eines Al-Drahtes stark erhitzt, bis eine Verdampfung mit ausreichender Intensität einsetzt. Aufgrund der geradlinigen Ausbreitung des Dampfes im Vakuum treffen die Al-Dampfteilchen auf die zu beschichtenden Ti-Partikel und kondensieren dort. Zur Einstellung einer gleichmäßigen Al-Schicht auf den Ti-Teilchen wird eine kontinuierliche Bewegung der Ti-Teilchen durch Rütteln erzeugt. Der Beschichtungsvorgang wird so lange durchgeführt, bis die Al-Schicht das gewünschte Volumen aufweist. In diesem Fall wurde ein Verhältnis der Phasen von 50 At.% Al zu 50 At.% Ti eingestellt.
Die Verbundteilchen wurden durch uniaxiales Pressen mit 600 MPa zu Zylindern mit 4 mm Durchmesser und einer Höhe von 5 mm verdichtet. Das drucklose Sintern der Proben erfolgte unter Vakuum unter verschiedenen Sinterregimen. Die maximale Sintertemperatur betrug 1330°C. Die Proben zeigen abgeschlossene Porosität bei Dichten < 92%.
3. Ti-Pulver und Al-Pulver (je 100-300 µm) werden in einem stöchiometrischen Verhältnis von 50 At.% Al und 50 At.% Ti gemischt und danach unter Argon-Schutzgasatmosphäre in einer Fritsch-Kugelmühle mit geringer Intensität gemahlen (Mahldauer: 1/2 h). Die Mahlung führt dabei zu einer Umhüllung der Ti-Teilchen mit Al in dem gewünschten Volumenverhältnis jedoch nur zu geringen Zerkleinerungsprozessen. Die Pulver wurden nachfolgend wie unter 1. beschrieben gepreßt und gesintert.

Claims

1. Herstellung von hochdichten Werkstoffen und Bauteilen auf der Basis intermetallischer Phasen aus Element- und/oder Vorlegierungspulvern (Basiskomponente) und vorzugsweise Al mit einem Gehalt der zur Ausbildung von intermetallischen Phasen notwendig ist, dadurch gekennzeichnet, daß Verbundpulver bestehend aus einer elementaren Komponente oder Vorlegierung (Basiskomponente) und einer zweiten elementaren Komponente oder Vorlegierung vorzugsweise Al verwendet werden, wobei die geometrische Anordnung der Bestandteile des Verbundpulvers so zu wählen ist, daß eine Komponente die andere möglichst vollständig und gleichmäßig umhüllt und in jedem Verbundpulverteilchen die Mengenverhältnisse der Komponenten der gewünschten Endzusammensetzung des Werkstoffes (intermetallische Phase) entsprechen, wodurch kein Schwellen des konsolidierten Materials während des Sinterns auftritt.

2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Herstellung des Verbundpulvers Al-Pulver in vorlegiertem Zustand (z. B. Fe, Mg, Cr, Mn, Nb, Cu, Y, Ce).

3. Als Basiskomponente insbesondere die Elementpulver Ti, Fe, Zr, W, Nb, Ru, Ni oder Vorlegierungspulver dieser Elemente mit Al oder anderen Elementen eingesetzt werden.

4. Die Herstellung der Verbundpulver durch chemische, physikalische, mechanische, galvanische, elektrolytische, stromlose oder andere Beschichtungsverfahren erfolgt.

5. Der Werkstoff (im Grünzustand) neben dem Verbundpulver weitere, nicht an der Phasen bildung teilnehmende Bestandteile (z. B. TiC) enthält.

6. Die Herstellung von Formkörpern aus den beschriebenen Verbundpulvern z. B. durch uniaxiales, monostatisches oder kaltisostatisches Pressen oder Strangpressen bzw. durch ein anderes Verdichtungsverfahren erfolgt.

7. Das Sintern zum Zwecke der Ausbildung intermetallischer Phasen im Temperaturbereich zwischen 300°C bis 10 K unterhalb der Schmelztemperatur der Basiskomponente unter nichtoxidierender Atmosphäre erfolgt, wobei das Sinterregime und auch etwaige Haltezeiten von der Teilchengröße der eingesetzten Pulver abhängig sind.

8. Die Herstellung von Bauteilen durch druckloses Sintern erfolgt, wobei das drucklose Sintem zum Porenabschluß führt.

9. die nach Anspruch 8 hergestellten Bauteile einer abschließenden auch druckunterstützten Wärmebehandlung (z. B. kapselloses HIP) zum Zweck der weiteren Verdichtung und der Gefügeoptimierung des Materials unterworfen werden.

10. Verfahren zur Herstellung von hochdichten Bauteilen auf der Basis intermetallischer Phasen aus Element- und/oder Legierungspulvern und einem weichen Metall-/Elementpulver, dadurch gekennzeichnet daß im ersten Schritt des Verfahrens eine Pulvermischung in einem solchen stöchiometrischen Verhältnis aus den einzelnen Pulverelementen hergestellt wird, daß die Teilchen des Basispulvers durch die Teilchen des weichen Pulver umhüllt werden diese Pulvermischung zu einem Bauteil/Körper verdichtet wird, nachfolgend einem Umformprozeß (mit einem Umformgrad von etwa 20) unterworfen und anschließend der so entstandene Körper quer zur Umformrichtung zerspant wird und, daß das durch die Zerspanung gewonnene Material/Pulver einachsig verdichtet wird und anschließend unter Temperatureinfluß und ohne Druck gesintert wird.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerspanung unter Schutzgas erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundpulver durch eine kurzzeitige Wärmebehandlung z. B. Lasersintern über transientes Flüssigphasensintern, d. h. durch Schmelzen der Beschichtungskomponente der Verbundteilchen verdichtet werden.