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BA_Herstellung von Hochtemperaturbauteilen durch Metal Injection
Vorlesung: Herstellung von Hochtemperaturbauteilen durch Metal Injection Molding Benedikt Albert 02.12.09 Universität Bayreuth 1 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Gliederung • • Grundlagen: Metal Injection Molding Relevante Sinterparameter / Bestimmung der Sinterparameter – Dilatometer – DSC/TG • • • Untersuchte Materialien Verwendete Proben Sintern in Argon / in Vakuum • • • • • Inconel 625 Inconel 713 Hastelloy X MAR-M-247 Haynes 214 Universität Bayreuth 2 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Metal Injection Molding (MIM) Metal Injection Molding Metallischer Spritzguss Prozessschritte vergleichbar mit Spritzgießen von Kunststoffen Beispiele für Bauteile, welche mittels MIM hergestellt werden Quelle: Schunk Sintermetalltechnik Universität Bayreuth 3 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe MIM Prozessschritte Quelle: Schunk Sintermetalltechnik Universität Bayreuth 4 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Pulverherstellung • Herstellung von Pulver des reinen Metalls z.B. durch Verdüsen unter verschiedenen Atmosphären • Vakuum • Druckluft- oder Druckwasser • Inertgas, z.B. Argon z.B. durch Elektrolyse z.B. Reduktion im Nassen oder Trockenen • Herstellung von Legierungen • • • • Mahlen und Mischen mechanisches Legieren chemisches Legieren Granulieren Universität Bayreuth 5 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Herstellung des Feedstocks Mischen von Pulvern und Binder • • • Mischen in Doppelschneckenextruder Homogenisieren Pelletieren der Mischung Feedstock Richtige Mischung von Binder und Pulver ist wichtig /Ger97/ Durch Verhältnis Pulver/Binder wird die Schwindung gesteuert Universität Bayreuth 6 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Spritzen der Teile • Granulat/Pellets werden in Spritzgussmaschine gegeben • Maschine ist beheizt, so dass Binder flüssig ist. • Dadurch wird fließfähige Masse erzielt • Spritzen in Werkzeug, Negativformen werden gefüllt • In Werkzeug kühlt das Grünteil ab und nimmt so die später gewünschte Form an Universität Bayreuth 7 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Entbindern Verschiedene Methoden des Entbinderns • • thermisch chemisch Binder besteht aus drei Komponenten: • • • Oberflächenaktive Substanz Backbone-Komponente (Polymer o.ä.) Füllstoff Backbone-Komponente verbleibt in Bauteil bis zum Sintervorgang Braunling ist damit weiter gut zu handhaben Universität Bayreuth 8 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern Kritischer Prozessschritt: Spätere Eigenschaften werden eingestellt Sintern: • Wärmebehandlungsverfahren unterhalb der Schmelztemperatur, bei dem der Körper ausreichend verdichtet wird. • Das disperse System wird durch das Verdichten in einen stabileren Zustand überführt. Die Triebkraft des ablaufenden Vorgangs ist Differenz der freien Energie zwischen Ausgangs- sowie Endzustand. • Elimination von Poren und Schwindung durch Diffusionsprozesse • Materialtransport über Gas- Flüssigphase sowie Festkörper Universität Bayreuth 9 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern Drei Stadien des Sintervorgangs: • Anfangsstadium: Erste Kontaktstellen, Halsbildung • 10 µm Zwischenstadium: Halswachstum, Elimination von Poren, Verdichtung • Endstadium: Übergang zu geschlossener Porosität, Kornwachstum, Porenschrumpfung 20 µm Universität Bayreuth 10 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern Sintern in verschiedenen Varianten möglich: • Festkörpersintern Probe/Bauteil weist bei Sintertemperatur eine oder mehrere feste Phasen auf Schwindung und Verdichten läuft über Diffusion im Festkörper ab • Flüssigphasensintern Sintern mit Anwesenheit einer Flüssigphase Flüssigphase dient als Medium für Stofftransport. Sintergeschwindigkeit kann so erhöht werden. Vor allem bei hochlegierten Stoffsystemen wird diese Variante verwendet Universität Bayreuth 11 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern Sintern von Nickel-Basis Superlegierungen • Sintern von hochlegierten Systemen mit vielen enthaltenen Elementen • Sinterfortschritt oft sehr schwierig zu erreichen • Sintern mit Flüssigphase, oftmals oberhalb der Solidustemperatur • SLPS (Supersolidus Liquid Phase Sintering) • Sehr schmale Temperaturintervalle, in denen Sintervorgang abläuft • Schlagartiger Übergang hin zu guter Verdichtung Universität Bayreuth 12 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Relevante Sinterparameter • Sintertemperatur Bei Nickelbasislegierungen in der Regel wenig Vergleichsliteratur Sintern nahe am Schmelzpunkt • Sinteratmosphäre Vakuum Schutzgas (Argon, Stickstoff) • Aufheizrate Schneller/langsamer Zwischenhalt • Haltezeit Lange genug, dass Sintervorgang komplett abläuft, nicht zu lange, so dass unerwünschtes Kornwachstum verhindert wird Universität Bayreuth 13 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Bestimmung der Parameter Bestimmung der Sintertemperatur • DSC (Differential Scanning Calorymetry) Aufheizen der Probe unter Schutzgas oder Vakuum über Schmelzpunkt hinaus Im Schmelzintervall wird durch Wärmereaktion ein Peak detektiert, womit der Temperaturbereich festgelegt werden kann • Dilatometer Aufheizen der Probe bis Sintertemperatur. Längenänderung wird aufgezeichnet und mit Kalibrierprobe verglichen Sinterintervall kann bestimmt werden Universität Bayreuth 14 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Dilatometer • Stabförmige Proben für Dilatometerversuche • Kalibrierprobe aus Al2O3 • Versuche unter Schutzgasatmosphäre • Definierte Aufheizrate und Haltezeit • Aufzeichnen der Nullkurve • Aufzeichnen der Dilatometerkurve der Probe Universität Bayreuth 15 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe DSC- und TG-Messung Differential Scanning Calorymetry (DSC) • • • • Wärmestrom der Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit wird erfasst Zum Vergleich wird leerer Tiegel ohne Probenmaterial auch gemessen Enthalpieänderung wird gemessen, so dass auf endotherme/exotherme Vorgänge wie Phasenänderungen geschlossen werden kann Wenn Wärmekapazität nicht genau bestimmt werden kann, ist dennoch eine qualitative Messung möglich Thermogravimetrie (TG) • • • • Mit einer simultanen Thermowaage kann neben der DSC-Messung eine TGMessung durchgeführt werden Die Änderung der Masse über dem eingestellten Messprogramm wird dabei mittels einer justierten Waage erfasst und gemessen Auch hier erfolgt Vergleich mit aufgenommener Nullkurve Mögliche detektierbare Reaktionen sind z.B. Abdampfen von Bestandteilen, Glühverlust, Reaktion mit der Atmosphäre Universität Bayreuth 16 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Untersuchte Materialien Verschiedene Nickelbasis-Superlegierungen • Inconel 625 Ni-22Cr-9Mo-5Fe-3,5Nb-1Co-0,5Mn-0,5Si-0,4Al-0,4Ti-0,1C • Inconel 713 Ni-12Cr-6Al-4,5Mo-3Nb-1Fe-0,75Ti-0,12C • MAR-M-247 Ni-10Co-10W-8,25Cr-5,5Al-3Ta-1Ti-0,7Mo-0,15C-0,05Zr-0,008B • Hastelloy X Ni-22Cr-18Fe-9Mo-1,5Co-0,6W-0,1C-1Mn-1Si-0,008B • Haynes 214 Ni-16Cr-4,5Al-3Fe-0,5Mn-0,2Si-0,1Ti-0,05C-0,01Y-0,01B Universität Bayreuth 17 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Verwendete Proben • Reines Pulver der zu untersuchenden Legierung • Zugstäbe mit genormten Abmaßen, entbindert Quelle: EPMA Universität Bayreuth 18 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern unter Ar-Atmosphäre Sintern in Kaltwandofen mit Graphitheizern • • Proben werden auf Keramikplatte in beschichteten Graphittiegel gegeben Leerer Graphittiegel wird untergestellt Abbildungen der Proben nach dem Sintern Hastelloy X auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern Inconel 625 auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern Universität Bayreuth 19 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Sintern in Vakuum Sintern in Kaltwandofen mit Wolfram-Heizer unter Vakuum (10-5 mbar) Vakuumkaltwandofen (am NMB) Vakuumkaltwandofen Innenansicht Außenansicht Probenteller mit Probe auf Unterlage Universität Bayreuth 20 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Untersuchungen an zwei Pulvern gleichen Typs (INC-S und INC-E im folgenden) • • • • Unterschiedliche Hersteller Unterschiedliche Partikelgrößen Verschiedene Sinteratmosphären Verschiedene Sintertemperaturen Partikelgröße der Pulver: REM-Aufnahme von INC-E Pulver INC-E INC-S D 50 [μm] 17,7 10,5 Universität Bayreuth 21 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Untersuchungen am Pulver: TG- und DSC-Messungen Vergleich der Massenänderung im relevanten Temperaturbereich in verschiedenen Atmosphären In Argon keine signifikante Änderung erkennbar In N2 klarer Peak zu erkennen Universität Bayreuth Nitrierung 22 Kontrolle des Schmelzintervalls Überprüfung, ob bei niedrigeren Temperaturen bereits Umwandlungen ablaufen, die mit einer Wärmereaktion verbunden sind Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Sinterversuche: Dilatometer • Unterschiede im Sinterfortschritt • Dadurch auch unterschiedliche Porosität • Atmosphäre bestimmt Eigenschaften • Bei richtiger Atmosphäre läuft Sintern schnell und vollständig ab • Optimale Atmosphäre kann auch für ähnliche Werkstoffe verschieden sein Universität Bayreuth 23 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Zugversuche an in N2 gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur Erzielte mechanische Kennwerte: Rp0,2: 264 ±7 MPa Rm: E-Modul: 131 ±7 GPa Bruchdehnung: 0,24 ±0,02% Mechanische Kennwerte sind sehr niedrig. Aufgrund der hohen Porosität von über 25% versagen die Proben sehr früh. Es wird keine Rp0,2-Dehngrenze erreicht Falsche Sinteratmosphäre. Sintern in N2 nicht erfolgreich Universität Bayreuth 24 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Zugversuche an in Ar gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur Erzielte mechanische Kennwerte: Rp0,2: 452 ±4 MPa 854 ±11 MPa Rm: E-Modul: 241 ±33 GPa Bruchdehnung: 10,2 ±0,6% Zum Vergleich: Kennwerte von Inconel 625 laut Datenblatt Zugfestigkeit, Dehngrenze und E-Modul erfüllen die Anforderungen von konventionell hergestellten Legierungen Universität Bayreuth 25 Rp0,2 410-650 MPa Rm 820-1030 MPa E-Modul 210 GPa Bruchdehnung 60-30 % Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Porositäten: Gemessene Porositäten nach 1 h Haltezeit bei der angegebenen Sintertemperatur Aufheizrate jeweils 10 K/min Erzielte Porosität von 2 bis 3% ist gut genug, dass der Werkstoff weiter verwendet werden kann. Pulver INC-S ist feiner und somit sinteraktiver 20 µm Universität Bayreuth 26 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 625 Übersicht über erzielte Ergebnisse bei verschiedenen Sinterbedingungen Ermittelte Zusammenhänge: Universität Bayreuth Für in N2 gesinterte Proben: 2*HV10/15 ≈ Rm [MPa] Für in Ar gesinterte Proben: 3*HV10/15 ≈ Rm [MPa] Für alle Proben: HV10/15 ≈ E-Modul [GPa] 27 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 713 TG- und DSC-Messung: Je 2x, für Kontrolle der Reproduzierbarkeit Massenänderung ergibt Peak mit Scheitelpunkt bei Beginn des Schmelzintervalls Schmelzintervall liegt bei etwas höheren Temperaturen als in Datenblatt angegeben. Zweite Messung bestätigt dies. Solche Effekte sind durch schnelle Aufheizung möglich Universität Bayreuth Leichte Gewichtszunahme bei höheren Temperaturen bis zum Schmelzen 28 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 713 Sinterversuche Sinterparameter: Aufheizrate: Haltezeit: Atmosphäre 20 K/min 1h Argon Schrittweise Optimierung der Porosität Gefüge wird besser mit steigender Sintertemperatur Beste erreichte Werte der Porosität 3-5% Universität Bayreuth 29 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Inconel 713 Gefügebilder der Proben 20 µm • Hohe Porosität • Einzelne Partikel noch klar zu erkennen • Zwischenstadium Universität Bayreuth Nach 1280°C Nach 1260°C Nach 1240°C 20 µm 20 µm • Porosität geringer • Verdichtung weiter fortgeschritten • Partikel lagern sich um 30 • Kaum Poren • Allerdings Partikel noch sichtbar • keine Rekristallisation Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Hastelloy X Dilatometermessung: 1280°C Dilatometerkurve Gefüge der Probe 50 µm Sintervorgang ist abgeschlossen, Schwindung erreicht Plateau, Probe verkürzt sich nicht weiter Universität Bayreuth Porosität im Gefüge 6,0% Kornwachstum Poren haben große Abmessung 31 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Hastelloy X Korngrößenbestimmung Sintern in Ar-Atmosphäre Erreichte Temperatur 1278°C 50 µm 100 µm Körner deutlich kleiner als bei Dilatometerversuch, aber Zwischenräume zwischen den einzelnen Körnern größer Einzelne Körner, umgeben von Flüssigphase Wenige Poren, sowohl an Korngrenzen als auch im Korninneren Universität Bayreuth 32 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Hastelloy X Sintern in Ar-Atmosphäre Erreichte Temperatur 1274°C Probe Gemessene Porosität Hastelloy X, 1278°C, Ar 3,1% Hastelloy X, 1274°C, Ar 3,2% Keine Unterschiede in der Porosität, Verdichtung vergleichbar, Ausbildung des Gefüges unterschiedlich 100 µm Weniger Flüssigphase, Mikrostruktur nicht klar auszumachen, keine Korngrenzen erkennbar Universität Bayreuth 33 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Hastelloy X Zugversuche an den in Argon gesinterten Proben Erreichte mechanische Kennwerte der Proben HX_A HX_B Bruchfestigkeit [MPa] 288,4 ± 37,8 390,2 ± 38,2 Dehngrenze [MPa] 246,4 ± 82,5 299,6 ± 7,2 E-Modul [GPa] 208,4 ± 89,8 248,3±106,0 Bruchdehnung [%] 0,35 ± 0,09 0,95 ± 0,33 • Mechanische Kennwerte sind bislang sehr niedrig • Deutlicher Optimierungsbedarf bei allen Werten • Proben nach etwas geringerer Sintertemperatur weisen bessere Werte auf. Flüssigphase ist der Festigkeit abträglich Universität Bayreuth 34 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Hastelloy X Sintern in Vakuum • • 1250°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate 1260°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate Nach 1260°C Porosität in beiden Fällen vergleichbar (8%) Proben weisen Verzug auf, daher keine Zugprüfung möglich Nach 1250°C 20 µm 20 µm Körner gut auszumachen, klare Mikrostruktur Universität Bayreuth 35 Korngrenzen nicht sichtbar Lehrstuhl Metallische Werkstoffe MAR-M-247 Dilatometermessungen • • • • Messung bei verschiedenen Temperaturen Abrupter Übergang von sehr schlechtem zu gutem Sinterverhalten Sehr enges Temperaturintervall Temperaturverteilung im Ofen muss bekannt sein Universität Bayreuth 36 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe MAR-M-247 Gefüge der Proben nach verschiedenen Sintertemperaturen nach 1320°C 20 µm nach 1330°C Sintervorgang nicht abgeschlossen, Porosität ist sehr hoch Halsbildung zwischen den Partikeln, Verdichtung ist noch sehr gering nach 1340°C 20 µm 20 µm Porosität ist sehr viel niedriger Verdichtung weit fortgeschritten Ursprüngliche Partikel aber noch erkennbar Universität Bayreuth 37 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Haynes 214 Dilatometermessungen Bei Temperaturerhöhung über 1310°C Auftreten von Fehlereffekten und Oxidation Dilatometerkurve bei 1310°C, Sintervorgang nicht komplett abgeschlossen Probe wird poröser, nicht dichter Porosität noch zu hoch Universität Bayreuth 38 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Mechanische Prüfung Zugversuche Mechanische Eigenschaften aufgrund der Porosität noch nicht gut genug Kurven nicht einheitlich und somit schlecht reproduzierbar Universität Bayreuth 39 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Untersuchung eines Modellbauteils Probe aus 17-4 PH (Edelstahl) Outer Air Seal zum Einsatz in Turbinen Bauteil minimiert den Luftspalt zwischen Schaufelspitze und Gehäuse Für einen hohen Wirkungsgrad und zur Steigerung der Effizienz wichtig Dichtfläche aus Waben, in die der Schaufelkranz eingefahren wird Anstreifvorgang. Schaufel hinterlässt Spuren in der Wabe Beispiel für Wabenstruktur nach dem Anstreifen /Smarsly/ Universität Bayreuth 40 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe Untersuchung eines Modellbauteils Aufnahmen mit dem Lichtmikroskop von den Waben • • • Fehlstellen können erkannt werden. Spritzgussprozess muss noch optimiert werden Ausbrechungen an der Oberfläche Form wird nicht komplett gefüllt, dünne Stege sind problematisch Wabenstege Wabenstege 500 µm 500 µm Universität Bayreuth 41 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe CT-Untersuchung Untersuchung der Güte des Bauteils mittels Computer-Tomographie • Bauteil wurde ein wenig kleiner gesägt, da lediglich Querschnitt im Strahl verantwortlich für Vergrößerung • Vorher bekannt, dass Risse im Bereich der Waben aufgetreten waren • Risse im Fussbereich konnten erkannt werden. Teilweise große Ausdehnung • Auch große Poren wurden gefunden. Poren befinden sich in Bereichen mit großem Querschnitt. • Poren befinden sich alle in einer Hälfte der Probe. Anguss der Probe muss demnach auf der gegenüberliegenden Seite gewesen sein Universität Bayreuth 42 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe CT- Untersuchung Einzelbilder aus einer Perspektive: Universität Bayreuth 43 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe CT-Untersuchung Virtuelle Fahrt durch das Bauteil • Einzelne Aufnahmen aus einer Perspektive • Bilder werden aufeinander gelegt • Video von Fahrt durch das Bauteil • Lage und Ausdehung der Fehlstellen können detektiert werden Universität Bayreuth 44 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
