BA Herstellung von Hochtemperaturbauteilen durch Metal ... · PDF fileMAR-M-247 Gefüge der Proben nach verschiedenen Sintertemperaturen nach 1320°C 20 µm nach 1330°C 20 µm nach

1Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe

Vorlesung:

Herstellung von Hochtemperaturbauteilen durch Metal Injection Molding

Benedikt Albert

02.12.09


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


Metal Injection Molding (MIM)

Metal Injection Molding Metallischer SpritzgussProzessschritte vergleichbar mit Spritzgießen von Kunststoffen

Quelle: Schunk Sintermetalltechnik

Beispiele für Bauteile, welche mittels MIM hergestellt werden


MIM Prozessschritte

Quelle: Schunk Sintermetalltechnik


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 Elektrolysez.B. Reduktion im Nassen oder Trockenen

• Herstellung von Legierungen• Mahlen und Mischen • mechanisches Legieren• chemisches Legieren• Granulieren


Herstellung des Feedstocks

Mischen von Pulvern und Binder• Mischen in Doppelschneckenextruder Feedstock• Homogenisieren• Pelletieren der Mischung

Richtige Mischung von Binder und Pulver ist wichtig

/Ger97/

Durch Verhältnis Pulver/Binder wird die Schwindung gesteuert


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


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


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


Sintern

Drei Stadien des Sintervorgangs:

• Anfangsstadium:Erste Kontaktstellen, Halsbildung

• Zwischenstadium:Halswachstum, Elimination von Poren, Verdichtung

• Endstadium:Übergang zu geschlossener Porosität, Kornwachstum, Porenschrumpfung

20 µm

10 µm


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 FlüssigphaseFlüssigphase dient als Medium für Stofftransport. Sintergeschwindigkeit kann so erhöht werden.Vor allem bei hochlegierten Stoffsystemen wird diese Variante verwendet


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


Relevante Sinterparameter

• SintertemperaturBei Nickelbasislegierungen in der Regel wenig VergleichsliteraturSintern nahe am Schmelzpunkt

• SinteratmosphäreVakuumSchutzgas (Argon, Stickstoff)

• AufheizrateSchneller/langsamerZwischenhalt

• HaltezeitLange genug, dass Sintervorgang komplett abläuft, nicht zu lange, so dass unerwünschtes Kornwachstum verhindert wird


Bestimmung der Parameter

Bestimmung der Sintertemperatur

• DSC (Differential Scanning Calorymetry)Aufheizen der Probe unter Schutzgas oder Vakuum über Schmelzpunkt hinausIm Schmelzintervall wird durch Wärmereaktion ein Peak detektiert, womit der Temperaturbereich festgelegt werden kann

• DilatometerAufheizen der Probe bis Sintertemperatur. Längenänderung wird aufgezeichnet und mit Kalibrierprobe verglichenSinterintervall kann bestimmt werden


Dilatometer

• Stabförmige Proben für Dilatometerversuche

• Kalibrierprobe aus Al2O3

• Versuche unter Schutzgasatmosphäre

• Definierte Aufheizrate und Haltezeit

• Aufzeichnen der Nullkurve

• Aufzeichnen der Dilatometerkurve der Probe


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 TG-

Messung 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


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 713Ni-12Cr-6Al-4,5Mo-3Nb-1Fe-0,75Ti-0,12C

• MAR-M-247Ni-10Co-10W-8,25Cr-5,5Al-3Ta-1Ti-0,7Mo-0,15C-0,05Zr-0,008B

• Hastelloy XNi-22Cr-18Fe-9Mo-1,5Co-0,6W-0,1C-1Mn-1Si-0,008B

• Haynes 214Ni-16Cr-4,5Al-3Fe-0,5Mn-0,2Si-0,1Ti-0,05C-0,01Y-0,01B


Verwendete Proben

• Reines Pulver der zu untersuchenden Legierung

• Zugstäbe mit genormten Abmaßen, entbindert

Quelle: EPMA


Sintern unter Ar-Atmosphäre

Sintern in Kaltwandofen mit Graphitheizern• Proben werden auf Keramikplatte in beschichteten Graphittiegel gegeben• Leerer Graphittiegel wird untergestellt

Inconel 625 auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern

Hastelloy X auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern

Abbildungen der Proben nach dem Sintern


Sintern in Vakuum

Sintern in Kaltwandofen mit Wolfram-Heizer unter Vakuum (10-5 mbar)

Vakuumkaltwandofen (am NMB)

Außenansicht

Vakuumkaltwandofen Innenansicht

Probenteller mit Probe auf Unterlage


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:

10,517,7D 50 [μm]

INC-SINC-EPulverREM-Aufnahme von INC-E


Inconel 625

Untersuchungen am Pulver: TG- und DSC-Messungen

Kontrolle des Schmelzintervalls

Überprüfung, ob bei niedrigeren Temperaturen bereits Umwandlungen ablaufen, die mit einer Wärmereaktion verbunden sind

Vergleich der Massenänderung im relevanten Temperaturbereich in verschiedenen Atmosphären

In Argon keine signifikante Änderung erkennbar

In N2 klarer Peak zu erkennen Nitrierung


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


Inconel 625

Zugversuche an in N2 gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur

Erzielte mechanische Kennwerte:Rp0,2: -Rm: 264 ±7 MPaE-Modul: 131 ±7 GPaBruchdehnung: 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


Inconel 625

Zugversuche an in Ar gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur

Erzielte mechanische Kennwerte:Rp0,2: 452 ±4 MPaRm: 854 ±11 MPaE-Modul: 241 ±33 GPaBruchdehnung: 10,2 ±0,6%

60-30 %Bruchdehnung

210 GPaE-Modul

820-1030 MPaRm

410-650 MPaRp0,2

Zum Vergleich: Kennwerte von Inconel 625 laut Datenblatt

Zugfestigkeit, Dehngrenze und E-Modul erfüllen die Anforderungen von konventionell hergestellten Legierungen


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


Inconel 625

Übersicht über erzielte Ergebnisse bei verschiedenen Sinterbedingungen

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]

Ermittelte Zusammenhänge:


Inconel 713

TG- und DSC-Messung: Je 2x, für Kontrolle der Reproduzierbarkeit

Schmelzintervall liegt bei etwas höheren Temperaturen als in Datenblatt angegeben. Zweite Messung bestätigt dies. Solche Effekte sind durch schnelle Aufheizung möglich

Massenänderung ergibt Peak mit Scheitelpunkt bei Beginn des Schmelzintervalls

Leichte Gewichtszunahme bei höheren Temperaturen bis zum Schmelzen


Inconel 713

SinterversucheSinterparameter: Aufheizrate: 20 K/min

Haltezeit: 1 hAtmosphäre Argon

Schrittweise Optimierung der PorositätGefüge wird besser mit steigender SintertemperaturBeste erreichte Werte der Porosität 3-5%


Inconel 713

Gefügebilder der Proben

20 µm 20 µm

• Kaum Poren• Allerdings Partikel noch sichtbar

• keine Rekristallisation

20 µm

• Hohe Porosität• Einzelne Partikel noch klarzu erkennen

• Zwischenstadium

Nach 1240°C Nach 1260°C Nach 1280°C

• Porosität geringer• Verdichtung weiter fort-geschritten

• Partikel lagern sich um


Hastelloy X

Dilatometermessung: 1280°C

50 µm

Dilatometerkurve Gefüge der Probe

Sintervorgang ist abgeschlossen, Schwindung erreicht Plateau, Probe verkürzt sich nicht weiter

Porosität im Gefüge 6,0%KornwachstumPoren haben große Abmessung


Hastelloy X

Sintern in Ar-Atmosphäre

Erreichte Temperatur 1278°C

100 µm

Einzelne Körner, umgeben von FlüssigphaseWenige Poren, sowohl an Korngrenzen als auch im Korninneren

Korngrößenbestimmung

50 µm

Körner deutlich kleiner als bei Dilatometerversuch, aber Zwischenräume zwischen den einzelnen Körnern größer


Hastelloy X

Sintern in Ar-Atmosphäre

Erreichte Temperatur 1274°C

100 µm

Weniger Flüssigphase, Mikrostruktur nicht klar auszumachen, keine Korngrenzen erkennbar

3,2%Hastelloy X, 1274°C, Ar

3,1%Hastelloy X, 1278°C, Ar

Gemessene PorositätProbe

Keine Unterschiede in der Porosität, Verdichtung vergleichbar, Ausbildung des Gefüges unterschiedlich


Hastelloy X

Zugversuche an den in Argon gesinterten Proben

0,95 ± 0,330,35 ± 0,09Bruchdehnung [%]

248,3±106,0208,4 ± 89,8E-Modul [GPa]

299,6 ± 7,2246,4 ± 82,5Dehngrenze [MPa]

390,2 ± 38,2288,4 ± 37,8Bruchfestigkeit [MPa]

HX_BHX_A

Erreichte mechanische Kennwerte der Proben

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

•

•

•


Hastelloy X

Sintern in Vakuum• 1250°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate• 1260°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate

20 µm 20 µm

Nach 1260°C Nach 1250°C

Körner gut auszumachen, klare Mikrostruktur Korngrenzen nicht sichtbar

Porosität in beiden Fällen vergleichbar (8%)

Proben weisen Verzug auf, daher keine Zugprüfung möglich


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


MAR-M-247

Gefüge der Proben nach verschiedenen Sintertemperaturen

20 µm20 µm20 µmnach 1320°C nach 1330°C nach 1340°C

Sintervorgang nicht abgeschlossen, Porosität ist sehr hochHalsbildung zwischen den Partikeln, Verdichtung ist noch sehr gering

Porosität ist sehr viel niedrigerVerdichtung weit fortgeschrittenUrsprüngliche Partikel aber noch erkennbar


Haynes 214

Dilatometermessungen

Bei Temperaturerhöhung über 1310°C Auftreten von Fehlereffekten und Oxidation

Probe wird poröser, nicht dichter

Dilatometerkurve bei 1310°C, Sintervorgang nicht komplett abgeschlossen

Porosität noch zu hoch


Mechanische Prüfung

Zugversuche

Mechanische Eigenschaften aufgrund der Porosität noch nicht gut genug

Kurven nicht einheitlich und somit schlecht reproduzierbar


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/


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

500 µm500 µm

Wabenstege

Wabenstege


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


CT- Untersuchung

Einzelbilder aus einer Perspektive:


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

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