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Patent Searching and Data


Title:
FIBER-REINFORCED COMPONENT AND MANUFACTURING PROCESS THEREFOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/020668
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fiber-reinforced component, in particular a fiber-reinforced metal component or a ceramic matrix composite (CMC) component used as turbine components, for example, and to a manufacturing process therefor. The invention shows one way of fiber-reinforcing a component when making same using a selective laser melting process and/or an electron beam.

Inventors:
LAMPENSCHERF, Stefan (Cheruskerweg 8, Poing, 85586, DE)
Application Number:
EP2018/070120
Publication Date:
January 31, 2019
Filing Date:
July 25, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
B22F3/105; B22F5/00; B28B1/00; B33Y10/00; C22C47/04; C22C47/06; C22C47/14; C22C49/14
Foreign References:
US6814823B12004-11-09
DE102015221078A12017-05-04
DE102016013857A12017-05-18
EP3354632A12018-08-01
DE102015113677A12017-02-23
DE102016201838A12017-08-10
EP17153083A2017-01-25
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Claims:
Patentansprüche

1. Bauteil, insbesondere eine Komponente für eine Turbine und/oder einen Abgasstrang, ein Basismaterial, das mittels eines additiven Verfahrens im Hochtemperaturbereich verarbeitbar ist, also beispielsweise ein Metall, eine Legierung, eine sinterbare Mischung und/oder eine Superlegierung umfassend, wobei eine Faserverstärkung vorgesehen ist, die erste Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde um- fasst, deren Vorzugsrichtung in einer Ebene mit dem Pulverbett, also quer, insbesondere auch im rechten Winkel zur Auf¬ baurichtung der einzelnen, durch das additive Verfahren aufgebauten, Lagen liegt. 2. Bauteil nach Anspruch 1, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil als keramische Lang-Fasern, insbesondere als Endlos¬ fasern, vorliegen.

3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die ers- ten Fasern zumindest zum Teil in Form von Faserbündel vorlie¬ gen .

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von geflochtenen Fasern vorliegen.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von Fasergelegen vorliegen. 6. Bauteil nach Anspruch 5, wobei die Fasergelege zumindest zum Teil in Form von zwei-dimensionalen Fasergelegen vorliegen .

7. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wo- bei die ersten Fasern zumindest zum Teil in Form von Faserverbunden vorliegen.

8. Bauteil nach Anspruch 7, wobei die Faserverbunde zumindest zum Teil in Form von drei-dimensionalen Faserverbunden vorliegen . 9. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei¬ te Fasern vorgesehen sind, die quer zu den ersten Fasern liegend eine weitere Faserverstärkung des Bauteils bewirken.

10. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweiten Fasern in Form von Faserbündel, Fasergelegen und/oder

Faserverbunden vorliegen.

11. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der ersten Fasern im Bereich zwischen 0,1 ym und 50 ym liegt.

12. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der ersten Fasern zumindest zum Teil ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Materialien: Carbonfasern und/oder Keramikfasern, wie metalloxidische Fasern und/oder

Siliziumcarbidfasern .

13. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material der zweiten Fasern zumindest zum Teil ausgewählt ist aus der Gruppe folgender Materialien: Carbonfasern und/oder Keramikfasern, wie metalloxidische Fasern und/oder

Siliziumcarbidfasern .

14. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils für eine Turbine oder einen Abgasstrang mit¬ tels eines additiven Verfahrens, wobei das Verfahren folgende Prozessschritte umfasst:

- Zur Verfügungstellen eines Pulverbettes, das aufschmelzbares Pulver einer hochschmelzenden Legierung enthält, nach unten bewegbar gelagert ist und von oben mit einem

Elektronen- oder Laserstrahl bearbeitbar ist,

- Einlegen von Verstärkungsfasern, -faserbündel und/oder - fasergelege in das Pulverbett - Bedecken der Verstärkungsfasern, -faserbündel und/oder - fasergelege mit dem Pulver, derart, dass beim Bestrahlen des Pulvers zum Aufschmelzen und Ausbilden der Komponente der Strahl auf das Pulver und nicht direkt auf die Verstärkungsfaser trifft.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde als Prepreg- Fasern, -Faserbündel, -Fasergelege und/oder -Faserverbunde vorliegen .

Description:
Beschreibung Faserverstärktes Bauteil und Herstellungsverfahren dazu

Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Bauteil, insbe ¬ sondere ein metallisches faserverstärktes Bauteil oder ein Ceramic Matrix Composite (CMC)- Bauteil, wie sie beispiels- weise als Komponenten in Turbinen oder in einem Abgasstrang eingesetzt werden, sowie ein Herstellungsverfahren dazu.

Es ist insbesondere auch die Nutzung additiver Verfahren zur prototypischen Herstellung hochbelasteter Turbinenbauteile auf der Basis metallischer Pulver im Fokus der vorliegenden Erfindung .

Als „additive Verfahren" werden vorliegend beispielsweise und insbesondere die Verfahren nach dem Selective Laser Melting und/oder das Electron-Beam-Verfahren bezeichnet. Beispielsweise lassen sich durch additive Verfahren zur Verarbeitung von Superlegierungen Prototypen für Turbinenkomponenten und/oder Komponenten eines Abgasstrangs herstellen. Die Nutzung additiver Verfahren zur prototypischen Herstellung hoch- belasteter Turbinenkomponenten auf Basis metallischer Pulver, wie beispielsweise beim Selective Laser Melting oder E-Beam- Verarbeitung von Superlegierungen, bietet viele Vorteile. So lassen sich komplexe Designs für optimale thermische, aerody ¬ namische und strukturelle Eigenschaften relativ schnell und kostengünstig realisieren. Auf diese Weise können Prototypen für Funktions- und Belastungstests in kurzer Zeit realisiert und so der Entwicklungsprozess erheblich verkürzt werden.

Nachteilig an den bekannten additiven Verfahren ist die cha- rakteristische feinkörnige Struktur der daraus hergestellten Bauteile, die durch den lagenweisen Aufbau entsteht. Zwar zeigen die Bauteile eine hohe Festigkeit, jedoch auch eine begrenzte Temperatur- und/oder Kriechbeständigkeit. So resul ¬ tiert eine begrenzte Dauerbelastbarkeit dieser additiv gefer- tigten Bauteile. Das begründet insgesamt und grundsätzlich eine eingeschränkte Eignung additiver Prozesse als Ferti ¬ gungsverfahren für hochbelastete Serienbauteile.

Aus der DE 10 2016 201838.8 und der EP 17153083 sind bereits Lösungsvorschläge für das oben genannte Problem, in Form von Verfahren zum Einbau von Fasern in additiv gefertigte Bauteile, bekannt. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist insbe ¬ sondere, dass erstens keine Lang- oder Endlosfasern zur Verstärkung einsetzbar sind und zweitens, dass die Verfahren im- mer über eine direkte Bestrahlung der Faser arbeiten, so dass der Laserstrahl, wenn auch nur kurz, aber die Faser trifft und somit belastet.

So besteht weiterhin der Bedarf, ein über SLM und/oder electron beam funktionierendes Verfahren zur Herstellung lagenweise aufgebauter Bauteile, insbesondere aus Superlegie- rungen für Heißgasanwendungen, insbesondere für die Prototypfertigung und auch für die Serienfertigung zur Verfügung zu stellen .

Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Bauteil insbesondere für Heißgasanwendungen, zu schaffen, das bezüglich der Festigkeit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines derart verbesserten Bauteils anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er ¬ findung, wie er in den Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur offenbart ist, gelöst.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Bauteil, insbesondere eine Komponente für eine Turbine und/oder einen Abgasstrang, ein Basismaterial, das mittels eines additiven Verfahrens im Hochtemperaturbereich verar- beitbar ist, also beispielsweise ein Metall, eine Legierung, eine sinterbare Mischung und/oder eine Superlegierung umfassend, wobei eine Faserverstärkung vorgesehen ist, die erste Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde um- fasst, deren Vorzugsrichtung in der Ebene der durch das additive Verfahren aufgebauten Lagen liegt.

Das umfasst insbesondere auch die Ausführungsform, in der die Vorzugsrichtung der Verstärkungsfaser quer, insbesondere auch im rechten Winkel zur Aufbaurichtung der einzelnen, durch das additive Verfahren aufgebauten, Lagen liegt.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Her- Stellung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils mittels eines additiven Verfahrens, wobei das Verfahren fol ¬ gende Prozessschritte umfasst:

- Zur Verfügungstellen eines Pulverbettes das aufschmelzbares Pulver einer hochschmelzenden Legierung enthält, nach unten bewegbar gelagert ist und von oben mit einem

Elektronen- oder Laserstrahl bearbeitbar ist,

- Einlegen von Verstärkungsfasern in das Pulverbett

- Bedecken der Verstärkungsfasern mit dem Pulver, derart, dass beim Bestrahlen des Pulvers im additiven Verfahren zum Aufschmelzen und Ausbilden der Komponente der Strahl nicht auf die Verstärkungsfaser trifft.

Während des additiven Verfahrens bewegt sich das Pulverbett langsam - Lage für Lage - in der Geschwindigkeit des Aufbaus des Bauteils nach unten und gleichzeitig wird - zumindest temporär - in das noch nicht aufgeschmolzene Pulverbett ers ¬ te (Lang- ) Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde aus Lang- oder Endlosfasern eingelegt, wobei die Fa ¬ sern, das Faserbündel und/oder die Faserverbunde nach einer vorteilhaften Ausführungsform in der Geschwindigkeit, in der das Pulverbett nach unten bewegt wird, abgerollt werden, wo ¬ bei die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Fa ¬ serverbunde in das metallische Pulver im Pulverbett, das mit ¬ tels Laser aufgeschmolzen wird, eintauchen oder eingebettet werden, so dass die Oberfläche der Faser vom Pulver gegenüber der Bestrahlung abgedeckt ist und bei Bestrahlung mit dem metallischen Pulver verschmilzt. Gerade bei den hochtemperatur-schmelzenden Pulvern, also beispielsweise Pulver von Metallen oder Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt von über 1200°C, wie z.B. Ni-/Co- basierte Superlegierungen, besteht die Gefahr, dass eine Verstärkungs- faser bei direkter Einstrahlung zum Aufschmelzen der Pulver kaputt geht, deshalb muss die Faser bei Auftreffen des Laser ¬ und/oder Elektronenstrahls durch Pulverbeschichtung und/oder Einbettung in das Pulverbett vor direkter Bestrahlung geschützt vorliegen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunde als Prepreg-Fasern, Prepreg-Faserbündel , Prepreg- Fasergelege und/oder Prepreg-Faserverbunde vor.

Als „Prepreg-Fasern" sowie daraus abgeleiteten Verbunden wie Faserbündel, geflochtene Fasern, Fasergelege, Faserverbunde etc. werden Verstärkungsfasern bezeichnet, die mit Pulver ummantelt sind. Dazu werden beispielsweise die Fasern mit einem Schlicker vorbehandelt und getrocknet, so dass eine feste Be- schichtung der Faser bereits vorliegt, bevor die Faser in das Pulverbett eingebracht wird. Diese Art der vorimprägnierten Fasern ist dann besonders effektiv vor Schäden durch Bestrahlung geschützt.

Vor der Bearbeitung mittels Laser oder Elektro-Strahl wird auch die Prepreg-Faser dann mit metallischem Hochtemperatur- Pulver wie beispielsweise dem Pulver eine Nickel-oder Cobalt basierten Superlegierung bedeckt - beispielsweise zugerakelt - , so dass die Faser zweifach,

- einmal durch die Prepreg-Beschichtung und

- einmal durch das Bedecken mit Pulvermaterial vor

Schäden die durch Bestrahlung und Energieeinwirkung während des additiven Festigungsverfahrens entstehen können,

geschützt ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faser- verbünde durch zweite oder weitere Fasern, Faserbündel, Fa ¬ sergelege und/oder Faserverbunde, die beispielsweise quer zu den ersten und/oder in einer Ebene oder parallel zu einer Ebene in der die Lage, die durch das Aufschmelzen via SLM und/oder Elektrobeam gebildet wird, liegen, ergänzt. Die Fa ¬ sern bilden dann ein zweidimensionales Netzwerk aus, in das das Metall, insbesondere die Superlegierung, eingeschmolzen wird . Die hier in Rede stehenden Fasern sind bevorzugt Langfasern und/oder Endlosfasern, die als Verstärkungsfasern von Hochtemperaturmetallen oder Hochtemperaturmetalllegierungen eingesetzt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Fasern, Faserbündel, Fasergelege

und/oder Faserverbunde, die beispielsweise seitlich abgerollt werden, an einer Pulverbett-Seitenwand verankert oder werden durch Öffnungen in einer oder mehrerer Seitenwand/Seitenwände in das Pulverbett eingezogen oder eingebracht. Im Prozess werden die Faser und/oder das Gelege auf dem Pulverbett abge ¬ legt und dann mit dem Pulver bedeckt, beispielsweise durch Über-Rakeln oder Einrakeln mit Pulver. Unter Fasern, Faserbündel, Fasergelege und/oder Faserverbunden sind alle Arten von Verstärkungsfasern, wie sie zur Faserverstärkung in, insbesondere metallischen Hochtemperatur geeigneten Komposit-Materialien eingesetzt werden, gemeint. Hierunter fallen Einzelfasern, insbesondere in Form von Endlosfasern. Außerdem Faserbündel, beispielsweise geflochtene Fasern sowie Fasergelege, die eine Ebene oder Lage quer oder parallel zu den über SLM gebildeten Lagen ausmachen. Diese Lagen können auch eine Wand oder Teil einer Wand des faser- verstärkten Bauteils darstellen. Fasergelege können in verschiedenen Maschenweiten, in die das Metallpulver - insbesondere über SLM /E-Beam - einschmelzbar ist, vorliegen. Wichtig ist vor allem, dass die Fasern während des Aufschmel ¬ zens des Pulvers vor direkter Bestrahlung geschützt vorlie ¬ gen, also in Pulver eingebettet sind, so dass die Strahlung von dem Pulver absorbiert wird und nicht direkt auf die Faser trifft.

Schließlich sind mit Faserverbunden noch dreidimensionale Fasergebilde mit Maschen und gegebenenfalls Innenräumen ge ¬ meint, die ganz oder teilweise im additiven Verfahren durch gezieltes Aufschmelzen von Metallpulver gefüllt werden können .

In der Regel handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um hochfeste und/oder temperaturbeständige Fasern, insbesondere um Carbonfasern und/oder Keramikfasern, wie metalloxidische Fasern und/oder Siliziumcarbidfasern . Der oder die Laser- Elektronenbeam-Strahlen schmelzen dann im additiven Verfahren das Metallpulver kurzfristig auf, wodurch die Fasern umschlossen und lagenweise in die metallische Struktur, die im additiven Verfahren hergestellt wird, eingebaut werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden eine gezielte Temperaturbehandlung und/oder die Überlagerung eines Temperaturgradienten beim Aufbauprozess ergänzend eingesetzt, um die Vergröberung oder Erhöhung der Grobkörnigkeit der Mikrostruktur weiter zu erhöhen.

Die Schichtdicke einer derartigen Lage liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 ym und 500 ym, beispielsweise zwi- sehen 1 ym und 200 ym und insbesondere zwischen 10 ym bis 50ym.

Der Durchmesser einer Verstärkungsfaser, insbesondere einer keramischen Verstärkungsfaser, wie sie gemäß der Erfindung einsetzbar ist, liegt beispielsweise zwischen 0,1 ym bis 50ym. Bevorzugt handelt es sich bei den keramischen Fasern um hoch- temperaturstabile Fasern, insbesondere um eine Art, die unter den Bedingungen des Selective Laser Melting oder Elektronen- Beam-Verfahrens stabil, insbesondere auch formstabil, bleibt. Durch den Absenkprozess des Pulverbettes und den selektiven Aufschmelzprozess des Metallpulvers werden die keramischen Fasern zu einem bestimmten Teil von Metallpulver und dann von Metallschmelze umschlossen und lagenweise in die metallische Struktur eingebaut.

Überraschend hat sich gezeigt, dass durch ein additives Ver ¬ fahren im Hochtemperaturbereich um die keramische Faser herum eine Superlegierung durch die vorherige Einbettung der Faser in Pulver additiv aufgebaut werden kann. Dadurch kann ein Me- tall-Matrix Komposit auf Basis einer Superlegierung mit deutlich verbesserten Belastungseigenschaften wie hohe Festigkeit und/oder hohe Kriech-/Temperaturbeständigkeit erzeugt werden.

Die Integration der Verstärkungsfasern wäre über den Gusspro- zess nicht möglich, da die dabei auftretenden dauerhaften

Temperaturbelastungen die Fasern zerstören würden. Diese vorteilhafte Kombination eines additiven metallischen Aufbauprozesses mit der Verwendung keramischer Verstärkungsfasern ermöglicht die Ausnutzung der additiven Prozesstechnologie für die Herstellung von hochbelasteten Gasturbinenbauteilen.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die im Detail zeigt, wie eine Faser während des SLM-Verfahrens durch Metallschmelze ummantelt wird.

Die Figur 1 zeigt ein Prozess-Schema für die Erzeugung eines Metall-Matrix-Komposits mit in der Pulverbett liegenden Ver- stärkungs-Faserverlauf, wobei dies nur eine bevorzugte Aus ¬ führungsform ist. Eine Ergänzung durch weitere respektive „zweite" Fasern, die beispielsweise auch quer zum Faserver ¬ lauf der ersten Fasern aber dennoch in der Pulverbett- oder Lagenebene liegen, liegt je nach Ausführungsform mal vor und mal nicht vor. In Figur 1 ist das Metall-Matrix-Komposit 1 zu sehen und zwar die Ansicht der Draufsicht auf eine Lage eines Metall-Matrix- Komposits 1, wobei in der obersten Zeile die verschiedenen Stadien der Verarbeitung gezeigt sind.

Von rechts nach links sind in Figur 1 vier Zonen 3, 4, 6 und 7 erkennbar und gekennzeichnet. In Zone 3 ist die keramische Faser 1, die nur im Querschnitt zu sehen ist, weil sie in der Ebene des Pulverbettes liegt, vollumfänglich umgeben vom Me ¬ tallpulver 2. In Zone 4 wird gerade das Metallpulver 2 vom Laserstrahl 5 gezielt geschmolzen. Dabei ummantelt die visko ¬ se energetisch hoch aufgeladene Metallschmelze die keramische Verstärkungsfaser, wobei durch den hohen energetischen Zu- stand der Metallschmelze die beiden Oberflächen der Metall ¬ schmelze einerseits und der keramischen Faser andererseits, gut aneinander haftende Grenzflächen bilden. Deshalb ist eine derart eingeschmolzene Verstärkungsfaser gut im Metall- Matrix-Komposit verankert und/oder eingebettet. Nach Ausbil- dung dieser gut aneinander haftenden Grenzflächen wird dieser Zustand sofort eingefroren, weil unmittelbar angrenzend an die Zone 4, in der der Laserstrahl 5 punktuell hohe Energie zuführt, in der Zone 6 das Komposit bereits abkühlt. In Zone 7 liegt das Komposit bereits fast wieder in Raumtemperatur vor. Die Ausdehnungen der Zonen lassen sich erahnen, wenn bedacht wird, dass der Querschnitt einer Verstärkungsfaser, wie hier zu sehen, beispielsweise im Bereich zwischen 10 ym und 50 ym liegt. Die Regelung der Laserstrahl oder Elektronenstrahl-Energie, ebenso wie die Geschwindigkeit, in der der Strahl über die Oberfläche des Pulverbetts geführt wird, spielen dabei natür ¬ lich eine wichtige Rolle, die vom Fachmann durch Feinjustie ¬ rung während des Herstellungsverfahrens und/oder nach erfolg- ter Qualitäts-Prüfung der hergestellten Bauteile jeweils Pro- zess- und/oder Materialabhängig nachgeregelt werden. Selbstverständlich können ergänzend zu den gezeigten in der Lagenebene verlaufenden Verstärkungsfasern auch noch dazu quer liegende Fasern, die ebenfalls in der Ebene der Lagen liegen, in das faserverstärkte Bauteil eingebaut werden.

Ebenso liegen Faserbündel, geflochtene Fasern, Fasergelege und/oder Faserverbunde, die dreidimensionale Fasergelege bil ¬ den, im Umfang der Erfindung. In der Figur 1 wurde nur der Übersichtlichkeit halber die einfachste Form der Faserver ¬ stärkung durch Einbau einzeln vorliegender Fasern gezeigt.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Möglichkeit ge ¬ zeigt, wie eine Faserverstärkung beim Aufbau eines mittels im additiven Verfahren gefertigten hochtemperaturstabilen und/oder für Heißgasanwendungen geeigneten Bauteils realisierbar ist.