EP2840154A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus und mit Laves-Phasen - Google Patents

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EP2840154A1
EP2840154A1 EP13181259.6A EP13181259A EP2840154A1 EP 2840154 A1 EP2840154 A1 EP 2840154A1 EP 13181259 A EP13181259 A EP 13181259A EP 2840154 A1 EP2840154 A1 EP 2840154A1
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powder
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laves phase
laves
matrix material
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EP13181259.6A
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French (fr)
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Wilfried Smarsly
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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    • F05D2230/50—Building or constructing in particular ways
    • F05D2230/53—Building or constructing in particular ways by integrally manufacturing a component, e.g. by milling from a billet or one piece construction

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing components, in particular components for turbomachines, such as stationary gas turbines and aircraft engines, which contain at least Laves phases, as well as corresponding components.
  • turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • components such as blades, disks and the like
  • turbomachines such as stationary gas turbines or aircraft engines
  • components such as blades, disks and the like
  • the process should be efficient and industrially applicable.
  • the invention proposes to use a powder metallurgical process for producing a component from a material containing Laves phases.
  • a powder-metallurgical production process for producing entire components or parts thereof completely from one or more Laves intermetallic phases.
  • a powder packing ie an accumulation of powder particles, can be used, in which the powder particles have the composition of the Laves phase from which the component is to be formed. If the component is to be formed from a mixture of different Laves phases, the powder package can have different powders with the corresponding compositions of the Laves phases.
  • the powder package may also comprise powders which have only constituents of the Laves phases which are to be formed in the component, so that the Laves phase (s) is not formed until the compaction and cohesive connection of the powders.
  • Laves phase s
  • the Laves phase or several Laves phases can be embedded in a matrix of a different material or vice versa, one or more other materials may be incorporated in a matrix of Laves phase (s).
  • a powder packing can also contain powders from or to form a matrix material in addition to the powder of Laves phases, in which case again the powder particles can have the compositions of the matrix material or powder mixtures in which the powder particles can be used each have components of the matrix material to be formed.
  • the powder packs can thus comprise mixtures of powders which are provided on the one hand for the formation of Laves phases or consist of Laves phases on the other hand powders which are provided for the formation of the matrix material or consist of this. These powders can be mixed in a ratio of 1: 9 to 9: 1, wherein in the resulting component, the ratio of the proportions of Laves - phase (s) to the matrix material also in the range of 1: 9 to 9: 1 move can.
  • the powder packing is first compacted and brought into a desired shape, wherein simultaneously and / or subsequently the powder particles are melted or sintered together to produce the desired component.
  • various powder metallurgical methods can be used, in particular extrusion molding, hot isostatic pressing or spark plasma sintering.
  • the method can be designed so that the cohesive joining of the powder particles or after the remelting directionally solidified or monocrystalline structure arise, so that in a polycrystalline configuration with a directionally solidified structure, the resulting grains with their crystal structure in one direction parallel aligned with each other, while in a monocrystalline formation of the microstructure, the structure consists of a single crystal.
  • the heat can be specifically supplied during the compaction process so that a heat front runs through the component, so that the directional or monocrystalline structure formation can be effected. This is possible, for example, in particular when using the spark plasma sintering method, in which a current flows through the powder package in a mold under pressure for supplying heat during the compaction of the powder, wherein the current flow along the mold can be changed.
  • heat can be selectively supplied in order to avoid or at least reduce the formation of residual stresses and the formation of cracks.
  • ternary Laves phases can be used as Laves phases, Laves phases based on FeMAl preferably being used, where M is formed by tantalum, niobium, molybdenum and / or tungsten.
  • M is formed by tantalum, niobium, molybdenum and / or tungsten.
  • Tantalum for M, which can be partially replaced by molybdenum, niobium and / or tungsten.
  • the iron component can also be partially replaced by chromium.
  • the matrix material may be formed by an iron or nickel base alloy, the term base alloy indicating that the largest constituent of the matrix material is iron or nickel.
  • composition of the individual powders and / or powder mixtures in a powder package may be selected to have a eutectic composition to reduce the melting temperature.
  • eutectic compositions are also possible.
  • the component can be formed as a semi-finished product or blank, in particular as a near-net shape blank, so that only final contour machining by mechanical removal and / or electrochemical removal are required for the production of the finished component. This can be used as a method of mechanical machining grinding and milling.
  • blades, disks or blisks artificial word from blade and disk for one-piece blade-disk units
  • components according to one aspect of the present invention are also claimed, in particular for turbomachines, which comprise Laves phases, in particular ternary Laves phases, or are formed entirely of Laves phases at least in some areas.
  • Subarea of a component is understood here to mean an area which lies in its dimensions above the dimensions of the microstructures, that is to say, for example, the particle sizes, and below the component dimensions.
  • one blisk could be formed such that the blade or disk is formed of the Laves phase, while the other component of the component only comprises Laves phase (s) in a matrix material.
  • a powder packing comprising iron powder, aluminum powder and tantalum powder may be used, the mixing ratio of the powders being chosen such that a ternary phase Fe42Al30Ta28 with 42 at.% Iron, 30 at.% aluminum and 28 at.% Tantalum is formed.
  • the iron can be partially replaced by chromium and the tantalum can be completely or partially replaced by niobium, molybdenum and / or tungsten.
  • a component with such a material is a component that is formed from a non-eutectic Laves phase.
  • a component from a corresponding Laves phase can also be produced by a powder packing which has powder particles with the composition of the Laves phase, ie in the given exemplary embodiment with a Fe42Al30Ta28 composition.
  • a component may be produced with an embedded Laves phase iron base alloy matrix, wherein a powder having a composition in which iron is 72 at.%, Aluminum is 27 at. Is used for the formation of the iron base matrix. % and tantalum with 1 at.%. This powder is mixed in the ratio of 75 to 25 with powder of a Laves phase, that is correspondingly present in a proportion of 25% in the powder packing.
  • the powder of the Laves phase has a composition of 59 at.% Iron, 14 at.% Aluminum and 27 at.% Tantalum.
  • powder packs in which several powders are mixed with individual constituents of the respective composition instead of the powder particles with the corresponding compositions of the matrix material and the Laves phase.
  • the powder packages are each compacted by hot isostatic pressing and formed into the desired component, wherein the hot isostatic pressing under inert gas at a pressure of 100 to 200 MPa and a temperature of 1000 ° C - 1400 ° C for two to eight hours can be performed.
  • compaction and shaping may be by Spark Plasma Sintering (SPS) wherein a pressure of 100 to 300 MPa may be applied at a temperature of 1000 ° C to 1600 ° C for a period of two to twenty minutes.
  • SPS Spark Plasma Sintering

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere für Strömungsmaschinen, welches aus mindestens einer intermetallischen Laves - Phase gebildet ist oder mindestens eine intermetallische Laves - Phase umfasst, wobei das Bauteil pulvermetallurgisch hergestellt wird, sowie entsprechend hergestellte Bauteile.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Bauteilen für Strömungsmaschinen, wie stationäre Gasturbinen und Flugzeugtriebwerke, die zumindest Laves - Phasen enthalten, sowie entsprechende Bauteile.
    • STAND DER TECHNIK
  • In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden Bauteile, wie beispielsweise Schaufeln, Scheiben und dergleichen, eingesetzt, die sowohl den hohen Temperaturen als auch den aggressiven Umgebungsbedingungen beim Betrieb der Strömungsmaschinen widerstehen müssen, als auch insbesondere bei den teilweise herrschenden hohen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit und Kriechbeständigkeit aufweisen müssen. Hierzu sind im Stand der Technik verschiedene Werkstoffe bekannt, die zusammen mit geeigneten Beschichtungen den Anforderungen genügen. Allerdings ist das Potential der bisher eingesetzten Werkstoffe, wie beispielsweise Eisen - und Nickel - Basis - Legierungen, bereits weitgehend ausgeschöpft, so dass weitere Effizienzsteigerungen für Strömungsmaschinen beispielsweise durch höhere Arbeitstemperaturen durch neuartige Werkstoffe erreicht werden müssen.
  • So gibt es bereits Bestrebungen, Legierungen mit Partikeln aus Laves - Phasen zu verfestigen, welche aufgrund ihrer geordneten intermetallischen Struktur günstige Festigkeitswerte auch bei hohen Einsatztemperaturen erwarten lassen.
  • Allerdings hat sich herausgestellt, dass die Herstellung derartiger Bauteile, die Laves - Phasen als Ausscheidungen enthalten, schwierig herzustellen sind, da bei der Abkühlung entsprechend hergestellter Bauteile Seigerungen und Risse auftreten.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen anzugeben, die aus einem Werkstoff gefertigt sind, der zumindest Laves - Phasen umfasst. Hierbei soll das Verfahren effizient durchführbar und industriell anwendbar sein.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schlägt vor, zur Herstellung eines Bauteils aus einem Werkstoff, der Laves - Phasen enthält, ein pulvermetallurgisches Verfahren zu verwenden. Durch ein pulvermetallurgisches Herstellverfahren ist es darüber hinaus auch möglich, gesamte Bauteile oder Teile davon vollständig aus einer oder mehreren intermetallischen Laves - Phasen herzustellen.
  • Für die pulvermetallurgische Herstellung kann eine Pulverpackung, also eine Ansammlung von Pulverpartikeln, Verwendung finden, bei der die Pulverpartikel die Zusammensetzung der Laves - Phase aufweisen, aus der das Bauteil gebildet werden soll. Soll das Bauteil aus einer Mischung verschiedener Laves - Phasen gebildet werden, kann die Pulverpackung verschiedene Pulver mit den entsprechenden Zusammensetzungen der Laves - Phasen aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Pulverpackung auch Pulver umfassen, die lediglich Bestandteile der Laves - Phasen aufweisen, die in dem Bauteil ausgebildet werden sollen, so dass die Laves - Phase(n) erst bei der Kompaktierung und stoffschlüssigen Verbindung der Pulver gebildet wird.
  • Wie bereits erwähnt, ist auch eine Kombination der beiden oben aufgezeigten Möglichkeiten denkbar, nämlich einerseits in der Pulverpackung Pulver mit Pulverpartikeln der gewünschten Laves - Phase einzusetzen und andererseits Pulverpartikel mit Bestandteilen einer weiteren Laves - Phase, die in dem Bauteil zusätzlich ausgebildet werden soll.
  • Darüber hinaus ist es auch möglich, nicht nur ein Gefüge des herzustellenden Bauteils auszubilden, das vollständig aus Laves - Phase(n) gebildet ist, sondern es kann auch die Laves - Phase oder mehrere Laves - Phasen in einer Matrix aus einem anderen Werkstoff eingelagert sein oder umgekehrt können ein oder mehrere weitere Werkstoffe in einer Matrix aus Laves - Phase(n) eingelagert sein.
  • Entsprechend kann bei der pulvermetallurgischen Herstellung eine Pulverpackung neben dem Pulver aus Laves - Phasen auch Pulver aus oder zur Bildung eines Matrix - Werkstoffs enthalten, wobei also wiederum die Pulverpartikel die Zusammensetzungen des Matrix - Werkstoffs aufweisen können oder Pulvermischungen Verwendung finden können, bei denen die Pulverpartikel jeweils Bestandteile des zu bildenden Matrix - Werkstoffs aufweisen.
  • Die Pulverpackungen können somit Mischungen aus Pulvern aufweisen, die einerseits für die Bildung von Laves - Phasen vorgesehen sind bzw. aus Laves - Phasen bestehen, und andererseits Pulvern, die für die Bildung des Matrix - Werkstoffs vorgesehen sind oder aus diesem bestehen. Diese Pulver können in einem Verhältnis von 1:9 bis 9:1 gemischt werden, wobei in dem entstehenden Bauteil das Verhältnis der Anteile von Laves - Phase(n) zur Matrix-Werkstoff sich ebenfalls im Bereich von 1:9 bis 9:1 bewegen kann.
  • Zur pulvermetallurgischen Herstellung wird die Pulverpackung zunächst verdichtet und in eine gewünschte Form gebracht, wobei gleichzeitig und/oder anschließend die Pulverpartikel aufgeschmolzen oder miteinander versintert werden, um das gewünschte Bauteil zu erzeugen. Hierzu können verschiedene pulvermetallurgische Verfahren eingesetzt werden, und zwar insbesondere Strangpressen, heißisostatisches Pressen oder Spark-Plasma-Sintering.
  • Nach einer Ausführungsform kann das Verfahren so gestaltet werden, dass beim stoffschlüssigen Fügen der Pulverpartikel bzw. nach dem Umschmelzen gerichtet erstarrte oder einkristalline Gefüge entstehen, so dass also bei einer polykristallinen Ausgestaltung mit einem gerichtet erstarrten Gefüge die entstandenen Körner mit ihrem Kristallgefüge in einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet sind, während bei einer einkristallinen Ausbildung des Gefüges das Gefüge aus einem Einkristall besteht. Dabei kann gezielt beim Kompaktierungsvorgang die Wärme so zugeführt werden, dass eine Wärmefront durch das Bauteil läuft, sodass die gerichtete oder einkristalline Gefügeausbildung bewirkt werden kann. Dies ist beispielsweise insbesondere bei Verwendung des Spark-Plasma-Sintering-Verfahrens möglich, bei dem zur Wärmezufuhr bei der Kompaktierung des Pulvers die in einer Form unter Druck befindliche Pulverpackung von einem Strom durchflossen wird, wobei der Stromfluss entlang der Form verändert werden kann.
  • Weiterhin kann bei der Abkühlung des Bauteils nach der Verdichtung und Formgebung gezielt Wärme zugeführt werden, um die Ausbildung von Eigenspannungen und die Entstehung von Rissen zu vermeiden bzw. zumindest zu verringern.
  • Als Laves - Phasen können insbesondere ternäre Laves - Phasen eingesetzt werden, wobei vorzugsweise Laves - Phasen auf der Basis von FeMAl eingesetzt werden, wobei M durch Tantal, Niob, Molybdän und/oder Wolfram gebildet ist. Insbesondere kann für M Tantal gewählt werden, welches teilweise durch Molybdän, Niob und/oder Wolfram ersetzt werden kann. Darüber hinaus kann in der ternären Phase auch der Eisenbestandteil teilweise durch Chrom ersetzt werden.
  • Der Matrix - Werkstoff kann durch eine Eisen - oder Nickel - Basislegierung gebildet sein, wobei der Begriff der Basislegierung angibt, dass der größte Bestandteil des Matrix - Werkstoffs Eisen oder Nickel ist.
  • Die Zusammensetzung der einzelnen Pulver und/oder der Pulvermischungen in einer Pulverpackung kann so gewählt werden, dass sie eine eutektische Zusammensetzung aufweisen, um die Schmelztemperatur zu verringern. Allerdings sind auch nicht eutektische Zusammensetzungen möglich.
  • Das Bauteil kann als Halbzeug oder Rohteil, insbesondere als endkonturnahes Rohteil gebildet werden, sodass zur Herstellung des fertigen Bauteils lediglich Endkonturbearbeitungen durch mechanisches Abtragen und/oder elektrochemisches Abtragen erforderlich sind. Hierbei können als Verfahren zur mechanischen Bearbeitung Schleifen und Fräsen eingesetzt werden.
  • Als Bauteile können Schaufeln, Scheiben oder Blisken (Kunstwort aus Blade und Disk für einstückige Schaufel - Scheiben - Einheiten)gebildet werden. Entsprechend werden nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung auch Bauteile, insbesondere für Strömungsmaschinen beansprucht, die Laves - Phasen, insbesondere ternäre Laves - Phasen umfassen oder zumindest in Teilbereichen vollständig aus Laves - Phasen gebildet sind. Unter Teilbereich eines Bauteils wird hier ein Bereich verstanden, der in seinen Dimensionen oberhalb der Dimensionen der Gefügestrukturen, also beispielsweise der Korngrößen, und unterhalb der Bauteildimensionen liegt. Beispielsweise könnte eine Blisk so ausgebildet sein, dass die Schaufel oder Scheibe aus der Laves - Phase gebildet ist, während der andere Bestandteil des Bauteils lediglich Laves - Phase(n) in einem Matrix - Werkstoff umfasst.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Zur Herstellung eines Bauteils, welches vollständig aus Laves - Phase gebildet ist, kann eine Pulverpackung verwendet werden, die Eisenpulver, Aluminiumpulver und Tantalpulver umfasst, wobei das Mischungsverhältnis der Pulver so gewählt ist, dass eine ternäre Phase Fe42Al30Ta28 mit 42 at.% Eisen, 30 at.% Aluminium und 28 at.% Tantal gebildet wird. Hierbei kann das Eisen teilweise durch Chrom ersetzt werden und das Tantal kann ganz oder teilweise durch Niob, Molybdän und/oder Wolfram ersetzt werden. Bei einem Bauteil mit einem derartigen Werkstoff handelt es sich um ein Bauteil, das aus einer nicht eutektischen Laves - Phase gebildet ist.
  • Alternativ kann ein Bauteil aus einer entsprechenden Laves - Phase auch durch eine Pulverpackung hergestellt werden, welche Pulverpartikel mit der Zusammensetzung der Laves - Phase, also im gegebenen Ausführungsbeispiel mit einer Zusammensetzung Fe42Al30Ta28 aufweist.
  • Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Bauteil mit einer Eisen - Basislegierungsmatrix mit eingebetteter Laves - Phase hergestellt werden, wobei für die Bildung der Eisenbasismatrix ein Pulver Verwendung findet, welches eine Zusammensetzung aufweist, in der Eisen mit 72 at.%, Aluminium mit 27 at.% und Tantal mit 1 at.% vorliegt. Dieses Pulver wird im Verhältnis von 75 zu 25 mit Pulver einer Laves - Phase gemischt, die also entsprechend mit einem Anteil von 25 % in der Pulverpackung vorliegt. Das Pulver der Laves - Phase weist eine Zusammensetzung auf mit 59 at.% Eisen, 14 at.% Aluminium und 27 at.% Tantal.
  • Auch hier ist es alternativ wieder möglich statt der Pulverpartikel mit den entsprechenden Zusammensetzungen des Matrix - Werkstoffs und der Laves - Phase Pulverpackungen einzusetzen, bei denen mehrere Pulver mit einzelnen Bestandteilen der jeweiligen Zusammensetzung gemischt sind.
  • Die Pulverpackungen werden jeweils durch heißisostatisches Pressen verdichtet und zu dem gewünschten Bauteil geformt, wobei das heißisostatische Pressen unter Schutzgas bei einem Druck von 100 bis 200 MPa und einer Temperatur von 1000°C - 1400°C für zwei bis acht Stunden durchgeführt werden kann.
  • Alternativ kann die Kompaktierung und Formgebung durch Spark-Plasma-Sintering (SPS) erfolgen, wobei ein Druck von 100 bis 300 MPa bei einer Temperatur von 1000°C bis 1600°C für eine Dauer von zwei bis zwanzig Minuten aufgebracht werden kann.
  • Obwohl durch die Ausführungsbeispiele konkrete Ausführungsformen angegeben worden sind, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere für Strömungsmaschinen, welches aus mindestens einer intermetallischen Laves - Phase gebildet ist oder mindestens eine intermetallische Laves - Phase umfasst, wobei das Bauteil pulvermetallurgisch hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Pulverpackung verwendet wird, bei welcher die Pulverpartikel eine Zusammensetzung entsprechend der Laves - Phase aufweisen, oder welche eine Mischung aus Pulvern ist, die Pulverpartikel aus jeweils einem oder mehreren Bestandteilen der Laves - Phase aufweisen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Pulverpackung verwendet wird, bei welchem erste Pulverpartikel eines ersten Pulvers eine Zusammensetzung entsprechend der Laves - Phase aufweisen und zweite Pulverpartikel eines zweiten Pulvers eine Zusammensetzung entsprechend eines Matrix - Werkstoffs aufweisen, und die ersten und zweiten Pulver gemischt sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Pulverpackung verwendet wird, die eine Mischung aus verschiedenen Pulvern ist, die Pulverpartikel aus jeweils einem oder mehreren Bestandteilen der Laves - Phase und eines Matrix - Werkstoffs aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pulver der Laves - Phase und des Matrix - Werkstoffs im Verhältnis von 1:9 bis 9:1 gemischt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pulverpackung durch Strangpressen, heißisostatisches Pressen oder Sparc Plasma Sintering verdichtet und geformt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil gerichtet oder einkristallin erstarrt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Laves - Phase eine ternäre Laves - Phase, insbesondere auf der Basis von FeMAl eingesetzt wird, wobei M durch Ta, Nb, Mo und/oder W gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil einen Matrix - Werkstoff umfasst, in den die Laves - Phase eingebettet oder der in die Laves - Phase eingebettet ist, wobei der Matrix - Werkstoff insbesondere eine Fe - oder Ni- Basislegierung ist.
  10. Bauteil für eine Strömungsmaschine, welches aus einer intermetallischen Laves - Phase insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
  11. Bauteil nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil eine gerichtete Kornstruktur aufweist oder einkristallin ist.
  12. Bauteil nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil eine Schaufel, eine Scheibe oder eine Blisk einer Strömungsmaschine ist.
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