Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Schichtaufbau. Das Bauteil umfasst zumindest einen Einkristall. Die konventionelle Herstellung von Einkristallen basiert in der Regel auf epitaktischem Kristallwachstum ausgehend von einem Impfkristall. Das kontrollierte einkristalline Wachstum kann dann entweder nach dem Czochralski-Verfahren durch Tiegelziehen, durch Zonenschmelzen oder nach dem Bridgman-Verfahren durch gerichtete Erstarrung erfolgen. Die Kristallorientierung des Impfkristalls bestimmt dabei die Kristallorientierung des resultierenden Einkristalls.

Die Europäische Patentschrift EP 1 495 166 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen metallischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat mittels Schichtaufbau durch epitaktisches Aufwachsen ausgehend von einem beispielsweise pulverförmigen Material. Das Substrat ist dabei insbesondere ein zu reparierendes oder zu rekonditionierendes Werkstück. Die Europäische Patentanmeldung EP 3459654 A1 betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen metallischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat unter Beibehaltung der einkristallinen Mikrostruktur.

Das beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 102014 113806 A1 bekannte Bridgman-Verfahren wird zur Herstellung von einkristallinen Turbinenschaufeln aus einer Nickelbasislegierung verwendet. Dabei wird ein Einkristall durch Selektieren genau eines Korns realisiert. Dazu werden aus einer sehr hohen Anzahl von Keimkristallen durch gerichtete Erstarrung durch Kornselektion Kristalle selektiert, deren Kristallorientierung mit der Erstarrungsrichtung nahezu zusammenfällt. Die Erstarrungsrichtung entspricht bei kubischen Kristallsystemen der <001>-Richtung der Kristalle. Nach dieser ersten Selektion über eine Länge von einigen Zentimetern erfolgt eine weitere, geometrische Selektion mit Hilfe eines Spiralselektors. Durch den Spiralselektor wird die sekundäre Kristallorientierung der Einkristalle zufällig festgelegt.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass damit keine genauere Kristall orientierung eingestellt werden kann. Die Kristallorientierung in Erstarrungsrichtung kann einige Grad von der gewünschten Kristallorientierung abweichen. Die sekundäre Kristallorientierung kann überhaupt nicht beeinflusst werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem die Kristallorientierung von Einkristallen optimiert werden kann. Dadurch soll insbesondere die Qualität bei der Herstellung von Einkristallen verbessert werden. Weiterhin soll ein Bauteil mit einem Einkristall mit kontrolliert hergestellter Kristallorientierung bereitgestellt und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 und durch ein Bauteil gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dazu jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Bauteil durch Schichtaufbau hergestellt, indem eine Vielzahl von Kristalliten eines metallischen Materials zu einem Einkristall vereinigt wird. Der Einkristall entsteht dabei durch thermo mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung. Das metallische Material wird während des Aufbaus einer neuen Schicht erhitzt, so dass das metallische Material in einem linienförmigen Bereich aufgeschmolzen ist. Der linienförmige Bereich wird zum Aufbau der neuen Schicht bewegt.

Unter dem Begriff „thermo-mechanisch aktivierte sukzessive anisotrope plastische Verformung“ wird eine plastische Verformung des metallischen Materials verstanden, welche durch beim Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen, und anschließendem Abkühlen, insbesondere Erstarren, des metallischen Materials auftretende mechanische Spannungen verursacht wird. Beim Aufheizen, insbesondere Aufschmelzen und anschließendem Abkühlen, insbesondere Erstarren, kann es zu thermischen Dehnungen kommen, welche die mechanischen Spannungen verursachen. Die mechanischen Spannungen werden vorzugsweise durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs und/oder dessen Umgebung gezielt erzeugt. Die mechanischen Spannungen übersteigen vorzugsweise die Fließgrenze des metallischen Materials. Die mechanischen Spannungen weisen vorzugsweise aufgrund der linienförmigen Ausgestaltung des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs eine Vorzugsrichtung auf. Es wird also ein anisotropes mechanisches Spannungsfeld erzeugt. Dadurch resultiert eine anisotrope plastische Verformung. Diese Anisotropie führt vorzugsweise zur Erzeugung eines Einkristalls. Das metallische Material wird dabei abschnittsweise nach und nach, das heißt sukzessive, der plastischen Verformung unterworfen. Das Bauteil wird dabei schichtweise in einer Aufbaurichtung aufgebaut. Auch die einzelnen Schichten werden vorzugsweise nach und nach aufgebaut, indem sie vom aufgeschmolzenen linienförmigen Bereich durchlaufen werden. Vorzugsweise durch das durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs gezielt erzeugte thermo-mechanische Spannungsfeld kann die Kristallorientierung, insbesondere die primäre (in Aufbaurichtung) und sekundäre (in der Schichtebene) Kristallorientierung, genau eingestellt werden.

Die mechanischen Spannungen können Druckspannungen oder Zugspannungen sein.

Die mechanischen Spannungen treten vorzugsweise im metallischen Material einer neuen Schicht und dem bereits im Zuge des schichtweisen Aufbaus zuvor erstarrten metallischen Materials, insbesondere im Bereich von bis zu 5 mm unterhalb der neuen Schicht, auf. Vorzugsweise weist auch das unmittelbar unterhalb der neuen Schicht, insbesondere bis zu 5 mm darunter, befindliche, bereits erstarrte Material mechanische Spannungen auf.

Vorzugsweise ist das Bauteil im Zuge einer schmelzmetallurgisch geschaffenen stoffschlüssigen Verbindung einer mechanischen Einspannung unterworfen. Dadurch werden mechanische Spannungen nicht durch ein Ausweichen des bereits gewachsenen Einkristalls abgebaut und man spricht in diesem Zusammenhang von einer Selbsteinspannung. Die mechanischen Spannungen entstehen insbesondere durch das Zusammenwirken von thermischer Dehnung und Selbsteinspannung.

Vorzugsweise wird das Bauteil nach und nach auf einer Bodenplatte aufgebaut. Die Bodenplatte kann aus dem gleichen metallischen Material wie das Bauteil gebildet sein. Alternativ kann die Bodenplatte aus einem anderen metallischen Material gebildet sein.

Vorzugsweise wird das Bauteil mit einer von der Bodenplatte verschiedenen Kristallstruktur aufgebaut. Das Bauteil unterscheidet sich also vorzugsweise in seiner Kristallstruktur von der Bodenplatte.

Das Bauteil kann nach seiner Fertigstellung von der Bodenplatte getrennt werden. Vorzugsweise wird dabei zusätzlich ein Anfangsbereich des Bauteils abgetrennt, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist.

Alternativ dazu kann das Bauteil nach und nach ausgehend von einem Pulverbett aufgebaut werden. Vorzugsweise wird auch in dieser Ausführungsform nach der Fertigstellung des Bauteils ein Anfangsbereich des Bauteils abgetrennt, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist.

In Abkehr zum Stand der Technik wird das Bauteil also vorzugsweise nicht ausgehend von einem einkristallinen Substrat hergestellt. Das Bauteil wird vorzugsweise auf einer polykristallinen Bodenplatte oder auf einem Pulverbett aufgebaut. Das Bauteil wird vorzugsweise nach seiner Fertigstellung von der Bodenplatte und/oder von einem Anfangsbereich des Bauteils, in dem noch kein einkristalliner Zustand eingestellt ist, getrennt. Weiterhin kann das Bauteil so schwach mit der Bodenplatte verbunden aufgebaut werden, dass das Bauteil einfach von der Bodenplatte abgenommen werden kann. Dazu kann das Bauteil beispielsweise an die Bodenplatte angesintert sein.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Begriff „linienförmiger Bereich“ auf den anspruchsgemäß aufgeschmolzenen linienförmigen Bereich. Eine Wiederholung des Begriffs „aufgeschmolzen“ wird dabei zumeist vermieden. Der linienförmige Bereich weist eine Ausdehnungsrichtung auf. Vorzugsweise entstehen wesentlich stärkere mechanische Spannungen aufgrund der Selbsteinspannung in dieser Ausdehnungsrichtung als senkrecht dazu in der Ebene der neuen Schicht. Vorzugsweise wird der linienförmige Bereich senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegt. Entsprechend entstehen wesentlich stärkere mechanische Spannungen aufgrund der Selbsteinspannung in der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs als in der Bewegungsrichtung des linienförmigen Bereichs.

Das mechanische Spannungsfeld ist daher anisotrop. Diese Anisotropie führt zur anisotropen plastischen Verformung und zur Erzeugung eines Einkristalls. Durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und des damit erzeugten mechanischen Spannungsfelds kann daher vorzugsweise die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und sekundäre Kristallorientierung, genau eingestellt werden. Bei der Kristallorientierung wird im Rahmen dieser Patentanmeldung zwischen der primären und der sekundären Kristallorientierung unterschieden. Zur Erklärung der primären und der sekundären Kristallorientierung wird ein Bauraum mit einer x-y-Ebene als Bauebene und einer z-Richtung als Aufbaurichtung angenommen. Die primäre Kristallorientierung gibt dabei die Ausrichtung des Einkristalls bzw. einer Achse des Einkristalls gegenüber der z- Richtung an. Der Einkristall ist vorzugsweise in z-Richtung ausgerichtet, kann aber auch gegenüber der z-Richtung verkippt sein. Die sekundäre Kristallorientierung steht für eine konkrete Drehposition des Kristallgitters um die Achse des Einkristalls. Bei einer Ausrichtung des Einkristalls in z-Richtung bezeichnet die sekundäre Kristallorientierung die konkrete Drehposition des Kristallgitters um die z-Achse oder anders ausgedrückt die Lage des Kristallgitters in der x-y-Ebene.

Vorzugsweise ist der linienförmige Bereich von einer Wärmeeinflusszone umgeben. Das metallische Material ist in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise nicht aufgeschmolzen. Genauer gesagt ist das metallische Material vorzugsweise in der Wärmeeinflusszone zum Teil noch nicht aufgeschmolzen, zum Teil nicht mehr aufgeschmolzen. Die Wärmeeinflusszone wird vorzugsweise zusammen mit dem linienförmigen Bereich zum Aufbau der neuen Schicht bewegt. In der Wärmeeinflusszone bestehen vorzugsweise hohe Temperaturgradienten. Dadurch kommt es in der Wärmeeinflusszone zu besonders starken thermisch induzierten mechanischen Spannungen. Die mechanischen Spannungen übersteigen in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise die Fließgrenze. Daher kommt es in der Wärmeeinflusszone vorzugsweise zu einer plastischen Verformung des metallischen Materials. Die Form der Wärmeeinflusszone entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Form des linienförmigen Bereichs. Die mechanischen Spannungen in der Wärmeeinflusszone weisen daher auch eine Vorzugsrichtung auf. Die plastische Verformung in der Wärmeeinflusszone ist also auch anisotrop. Die Wärmeeinflusszone trägt also vorzugsweise zur Erzeugung eines in seiner Kristallorientierung, vorzugsweise in seiner primären und sekundären Kristallorientierung, genau eingestellten Einkristalls bei.

Vorzugsweise wird im Bauraum ein Temperaturfeld erzeugt. Ein Wärmeeintrag kann dabei unmittelbar im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schicht und/oder in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmeeintrag auf den gesamten Bauraum insbesondere von außen her erfolgen.

Das metallische Material kann während des Aufbaus der neuen Schicht unmittelbar im linienförmigen Bereich auf eine erste Temperatur und/oder einen ersten Temperaturbereich erhitzt werden. Darunter wird verstanden, dass ein Wärmeeintrag unmittelbar im linienförmigen Bereich erfolgt.

Vorzugsweise wird das metallische Material in der Wärmeeinflusszone auf eine zweite Temperatur und/oder einen zweiten Temperaturbereich erhitzt. Die erste Temperatur bzw. der erste Temperaturbereich ist vorzugsweise höher als die zweite Temperatur bzw. der zweite Temperaturbereich.

Vorzugsweise wird das metallische Material während des Aufbaus der neuen Schicht in der gesamten neuen Schicht zumindest auf eine dritte Temperatur und/oder einen dritten Temperaturbereich erhitzt. Die dritte Temperatur wird auch als Bautemperatur bezeichnet. Die zweite Temperatur bzw. der zweite Temperaturbereich ist vorzugsweise höher als die dritte Temperatur bzw. der dritte Temperaturbereich.

Zum Erhitzen des metallischen Materials in der gesamten neuen Schicht kann auch ein Wärmeeintrag unmittelbar auf die neue Schicht außerhalb des linienförmigen Bereichs erfolgen. Vorzugsweise ist der unmittelbar im linienförmigen Bereich erfolgende Wärmeeintrag pro Einheitsfläche größer als der unmittelbar auf die neue Schicht außerhalb des linienförmigen Bereichs erfolgende Wärmeeintrag pro Einheitsfläche.

Eine Tiefe des linienförmigen Bereichs kann auf die neue Schicht begrenzt sein. Vorzugsweise durchgreift der linienförmige Bereich die neue Schicht und dringt in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schicht und/oder in die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten ein. Die Tiefe des linienförmigen Bereichs erstreckt sich vorzugsweise über die neue Schicht und auf eine bis zehn, besonders bevorzugt auf fünf bis zehn, unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellte Schichten. Dadurch wird das metallische Material vorzugsweise mehrmals einem Aufschmelzen und Erstarren unterworfen.

In der Wärmeeinflusszone wirkt das Temperaturfeld auch auf bereits erstarrtes metallisches Material in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten. Auch diese Schichten sind mechanisch verspannt. Das heißt das mechanische Spannungsfeld erstreckt sich auch auf die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht bzw. auf die unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten. Durch dieses bereits vorhandene anisotrope Spannungsfeld kann die Erzeugung des Einkristalls begünstigt werden. Die mechanischen Spannungen können die Fließgrenze insbesondere im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten übersteigen. Daher kann es im linienförmigen Bereich, in der Wärmeeinflusszone, in der neuen Schicht, in der unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schicht und/oder in den unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten zu plastischen Verformungen kommen, die aufgrund der Anisotropie der mechanischen Spannungen vorzugsweise zur Erzeugung eines in seiner Kristallorientierung, vorzugsweise in seiner primären und sekundären Kristallorientierung, genau eingestellten Einkristalls beitragen.

Das metallische Material im linienförmigen Bereich kann während des Aufbaus der neuen Schicht mit einer oder mehreren zeitlichen Unterbrechungen aufgeschmolzen sein. Vorzugsweise ist das metallische Material im linienförmigen Bereich während des Aufbaus der neuen Schicht fortwährend aufgeschmolzen.

Die Kristallite weisen vorzugsweise eine Größe in einem Bereich von 5 pm bis 500 pm, bevorzugt in einem Bereich von 20 pm bis 200 pm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 40 pm bis 150 pm auf. Vorzugsweise werden mindestens 100, weiter vorzugsweise mindestens 100.000, besonders vorzugsweise mindestens 100.000.000, zu einer Schicht des Einkristalls vereinigt. Vorzugsweise werden mindestens 1.000, weiter vorzugsweise mindestens 1.000.000, besonders vorzugsweise mindestens 1.000.000.000, Kristallite zu dem Einkristall vereinigt. Das Verfahren wird vorzugsweise in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer durchgeführt. Die Kammer kann evakuiert sein und/oder mit Inertgas gefüllt sein. Dadurch können die Materialeigenschaften besonders gut kontrolliert werden. Außerdem wird das Bauteil vor unerwünschter Oxidation geschützt.

Das Bauteil kann auch mit mehreren erfindungsgemäßen Einkristallen hergestellt werden. Das Bauteil kann zusätzlich zu einem oder mehreren Einkristallen polykristalline, insbesondere feinkristalline Bereiche aufweisen.

Das Bauteil kann insbesondere ein thermisch und/oder mechanisch hoch belastetes Bauteil, vorzugsweise eine Turbinenschaufel sein. Die Turbinenschaufel kann für land- oder luftbasierte Turbinen, insbesondere Gasturbinen oder Wasserturbinen bereitgestellt werden. Die Turbine kann stationär oder mobil verwendet werden. Weiterhin kann die Turbinenschaufel in Antrieben, insbesondere in Triebwerken, oder in Generatoren eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise wird die Kristallorientierung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Einkristalle durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und/oder Temperatur des aufgeschmolzenen linienförmigen Bereichs optimiert. Die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise sehr exakt eingestellt werden. Dadurch wird die Qualität bei der Herstellung der Einkristalle verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Bauteile für Hochtemperaturanwendungen, z.B. mit Nickelbasislegierungen, elektrische und/oder thermische Anwendungen, z.B. mit Reinkupfer oder Kupferlegierungen, oder funktionale Anwendungen, insbesondere mit Formgedächtnislegierungen, z.B. Nitinol.

Einkristalline und polykristalline Bereiche können im Bauteil durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise sehr flexibel miteinander kombiniert werden.

Vorteilhafterweise können die mechanischen Eigenschaften eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteils, insbesondere einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Turbinenschaufel, lokal angepasst werden. Die lokale Anpassung kann dabei einerseits durch ein genaues Einstellen der Kristallorientierung, insbesondere die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung, einkristalliner Bereiche in der Turbinenschaufel erfolgen. Andererseits können diese einkristallinen Bereiche in der Turbinenschaufel genau definiert von feinkristallinen Bereichen umgeben sein. Dadurch wird vorteilhafterweise einem Versagen des Materials der Turbinenschaufel vorgebeugt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich vorteilhafterweise einkristalline Bauteile hersteilen, deren Kristallorientierung an den Belastungsfall genau angepasst ist. Insbesondere kann die Kristallorientierung an den Verlauf von Spannungslinien und/oder Kraftlinien im Bauteil angepasst sein. Zudem kann die Kristallorientierung selbst im Bauteil kontinuierlich den lokalen Lasten angepasst werden.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reparatur und/oder Ergänzung von einkristallinen Bauteilen genutzt werden. Beispielsweise kann eine abgebrochene Spitze eines einkristallinen Bauteils durch das erfindungsgemäße Verfahren wiederhergestellt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der linienförmige Bereich entlang seiner Ausdehnungsrichtung eine Länge und senkrecht dazu eine Breite auf. Das Verhältnis aus Länge und Breite beträgt vorzugsweise zumindest 2:1 , bevorzugt zumindest 5:1 und besonders bevorzugt zumindest 20:1. Durch das Vorsehen eines derartigen Verhältnisses aus Länge und Breite des linienförmigen Bereichs wird vorteilhafterweise eine besonders ausgeprägte Anisotropie im mechanischen Spannungsfeld erzeugt. Diese besonders ausgeprägte Anisotropie ermöglicht ein besonders genaues Einstellen der Kristallorientierung des herzustellenden Einkristalls.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der linienförmige Bereich jeweils senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung eine Breite und eine Tiefe auf. Das Verhältnis aus Breite und Tiefe liegt in einem Bereich von 1:2 bis 10:1, vorzugsweise in einem Bereich von 2:1 bis 4:1. Durch das Vorsehen eines derartigen Verhältnisses aus Breite und Tiefe des linienförmigen Bereichs wird vorteilhafterweise eine besonders hohe Qualität der hergestellten Einkristalle erzielt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tiefe des linienförmigen Bereichs 50 pm bis 1000 pm, vorzugsweise 150 pm bis 500 pm. Vorzugsweise ist die Tiefe des linienförmigen Bereichs so bemessen, dass sich der linienförmige Bereich nicht nur innerhalb der neuen Schicht erstreckt, sondern zumindest teilweise in eine oder mehrere der unmittelbar zuvor hergestellten Schichten eindringt. Dadurch kann die Qualität der hergestellten Einkristalle weiter erhöht werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil schichtweise durch lokales Aufschmelzen einer Pulverschicht aus dem metallischen Material und/oder durch lokales Aufbringen des metallischen Materials hergestellt. Das Bauteil wird also vorzugsweise durch eine additive Fertigung hergestellt. Die Pulverschicht kann als Schüttung mit Hilfe einer Rakel bereitgestellt werden. Das lokale Aufbringen des metallischen Materials kann beispielsweise durch Bereitstellen eines Drahts oder eines Pulvers nach dem Verfahren der direkten Energieabscheidung erfolgen. Dieses Verfahren ist auch unter der englischen Bezeichnung Direct Energy Deposition und der Abkürzung DED bekannt. Dabei werden der Draht und/oder das Pulver durch eine fokussierte Wärmequelle, beispielsweise einen Laser, einen Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen, geschmolzen. Die Wärmequelle ist vorzugsweise an einem Gantry-System oder einem Roboterarm angebracht. Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Reparatur von einkristallinen Bauteilen vorteilhaft.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das metallische Material im linienförmigen Bereich durch einen Laser und/oder einen Elektronenstrahl aufgeschmolzen.

Vorzugsweise wird das metallische Material während des Aufbaus der neuen Schicht in der gesamten neuen Schicht durch den Laser und/oder den Elektronenstrahl erhitzt. Dazu überstreicht der Laser und/oder Elektronenstrahl vorzugsweise periodisch die neue Schicht. Der Laser und/oder Elektronenstrahl kann die neue Schicht dabei mehrmals in vorgegebenen Zeitabschnitten überstreichen. Im linienförmigen Bereich wird dabei vorzugsweise die Intensität oder die Verweildauer des Lasers und/oder Elektronenstrahls derart gewählt, dass es zu einem Schmelzen des metallischen Materials kommt.

Das Verfahren wird vorzugsweise nach den bekannten Verfahren des selektiven Laserschmelzens, das auch unter den englischen Bezeichnungen Selective Laser Melting oder Laser Powder Bed Fusion und den Abkürzungen SLM, LPBF, L-PBF oder PBF-L bekannt ist, und/oder des selektiven Elektronenstrahlschmelzens durchgeführt, das auch unter den englischen Bezeichnungen Selective Electron Beam Melting oder powder bed fusion electron beam und den Abkürzungen SEBM oder PBF-EB bekannt ist. Bei diesen Verfahren wird das Bauteil schichtweise in einem Pulverbett aufgebaut.

Für das selektive Laserschmelzen wird vorzugsweise das Bauteil in einem Bauraum innerhalb einer Prozesskammer schichtweise mittels eines Pulverbetts aufgebaut. Dazu werden mit einer Rakel Pulverschichten aus dem metallischen Material aufgetragen, mit einem Laser geheizt und selektiv geschmolzen. Das metallische Material kann durch mehrfaches Rastern mit dem Laser so stark erhitzt werden, dass ein selektives Aufschmelzen erfolgt. Vorzugsweise wird der Bauraum durch Heizelemente auf eine hinreichend hohe Temperatur gebracht, so dass das metallische Material durch den Laser selektiv geschmolzen werden kann. Die dazu erforderliche Temperatur kann im Bauraum durch Heizelemente von unten, der Seite oder von oben bereitgestellt werden. Von oben kann alternativ oder zusätzlich durch Strahlung, z.B. Infrarotstrahlung, geheizt werden. Die Leistung des Lasers liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 5.000 W. Das selektive Laserschmelzen wird vorzugsweise unter der Atmosphäre eines Schutzgases durchgeführt. Das Schutzgas umfasst vorzugsweise Argon, Helium und/oder Stickstoff. Alternativ dazu kann das selektive Laserschmelzen im Vakuum durchgeführt werden. Der Bauraum innerhalb der Prozesskammer weist vorzugsweise als x-y-Ebene eine Bauebene und in z-Richtung eine Höhe auf. Die Dimension des Bauraums beträgt vorzugsweise 100 bis 500 mm in der Bauebene und/oder 100 bis 1000 mm in der Höhe. Der Laser wird vorzugsweise über aktorgesteuerte Spiegel gesteuert. Die durch den Laser in den Bauraum und insbesondere in den linienförmigen Bereich, in die Wärmeeinflusszone und/oder in die neue Schicht eingebrachte Leistung wird vorzugsweise durch dessen Scangeschwindigkeit und/oder Intensität moduliert. Bei gepulsten Lasern kann weiterhin die Pulsfrequenz variiert werden.

Besonders bevorzugt wird das selektive Elektronenstrahlschmelzen. Vorzugsweise wird das Bauteil in einem Bauraum innerhalb einer Vakuumkammer schichtweise mittels eines Pulverbetts aufgebaut. Dazu werden mit einer Rakel Pulverschichten aufgetragen, durch mehrfaches Rastern mit einem Elektronenstrahl geheizt und dann selektiv geschmolzen. Die Leistung des Elektronenstrahls liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 40 kW. Der Bauraum innerhalb der Vakuumkammer weist vorzugsweise als x-y-Ebene eine Bauebene und in z-Richtung eine Höhe auf. Die Dimension des Bauraums beträgt vorzugsweise 100 bis 500 mm in der Bauebene und/oder 100 bis 1000 mm in der Höhe. Der Elektronenstrahl wird vorzugsweise mittels Magnetfelder gesteuert. Der Elektronenstrahl erreicht vorzugsweise Geschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s. Die durch den Elektronenstrahl in den Bauraum und insbesondere in den linienförmigen Bereich, in die Wärmeeinflusszone und/oder in die neue Schicht eingebrachte Leistung wird vorzugsweise durch dessen Scangeschwindigkeit und/oder Intensität moduliert.

Die Flexibilität des Elektronenstrahls erlaubt es vorteilhafterweise, ein Temperaturfeld und einen Temperatur-Zeit-Verlauf genau einzustellen. Dadurch kann der linienförmige Bereich besonders einfach und flexibel erzeugt werden. Insbesondere können besonders feine und/oder dünne Strukturen für den linienförmigen Bereich erzeugt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich das Bauteil und/oder ein das Bauteil enthaltender Bauraum erhitzt.

Das Bauteil und/oder der Bauraum kann auch durch den Laser und/oder den Elektronenstrahl erhitzt werden. Das Erhitzen des Bauteils und/oder des Bauraums kann dabei indirekt aus dem Erhitzen der neuen Schicht und/oder des linienförmigen Bereichs resultieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauteil und/oder der Bauraum durch eine externe Heizung erhitzt werden. Die externe Heizung kann durch zusätzliche Heizeinheiten, insbesondere einem oder mehreren Infrarotstrahlern, einer oder mehreren induktiven Heizeinheiten und/oder einer oder mehreren Widerstandsheizeinheiten, realisiert sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das metallische Material, das Bauteil und/oder der Bauraum auf eine Temperatur im Bereich von 300°C bis 1200°C erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 700°C bis 1200°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 900°C bis 1100°C. Insbesondere bei der Verwendung von Nickel basislegierungen werden Temperaturen im Bereich von 900°C bis 1100°C bevorzugt.

Die Höhe der mechanischen Spannungen ist von der Wahl des metallischen Materials und von der Temperatur des metallischen Materials und/oder des Bauteils abhängig. Die mechanischen Spannungen werden durch plastische Dehnung bis zur Fließgrenze abgebaut. Die Fließgrenze selbst hängt von der Temperatur ab. Das Verfahren wird vorzugsweise so eingestellt, dass in jeder Schicht anisotrope plastische Dehnungen von 0,02 bis 3 %, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1 %, im Material eingebracht werden. Vorteilhafterweise führen die anisotropen plastischen Dehnungen nach und nach durch Texturbildung zur Bildung eines Einkristalls.

Für Nickelbasislegierungen liegen die Fließspannungen bei typischen Arbeitstemperaturen von 700°C bis 1200°C zwischen 1000 MPa und 5 MPa. Vorteilhaft ist es, die thermische Schrumpfung möglichst komplett plastisch abzubauen. Dazu ist die Temperatur des metallischen Materials und/oder des Bauteils vorzugsweise so hoch, dass die Fließgrenze des metallischen Materials klein im Vergleich zu den thermomechanischen Spannungen ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schichtaufbau entlang einer Aufbaurichtung. Dabei werden vorzugsweise Schichten mit Dicken im Bereich zwischen 10 pm und 500 pm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 30 pm und 100 pm erzeugt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das metallische Material aus einer Nickelbasislegierung, Nickeltitanlegierung und/oder Kupferlegierung gebildet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der linienförmige Bereich unter Beibehaltung seiner Ausdehnungsrichtung einer Lateralbewegung senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung mit einer Lateralgeschwindigkeit via _t unterworfen. Die Lateralgeschwindigkeit via _t beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 mm/s und 100 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 10 mm/s.

Die Länge des linienförmigen Bereichs kann während dieser Bewegung variieren. Vorzugsweise wird die Länge des linienförmigen Bereichs in Abhängigkeit einer Geometrie des herzustellenden Bauteils variiert.

Die Lateralgeschwindigkeit kann zumindest zeitweise konstant sein. Vorzugsweise ist die Lateralgeschwindigkeit beim Beginn einer neuen Schicht gleich null, solange bis das metallische Material im linienförmigen Bereich aufgeschmolzen ist. Beim Durchlaufen der neuen Schicht wird die Lateralgeschwindigkeit vorzugsweise auf einen konstanten Wert erhöht. Vor dem Fertigstellen der neuen Schicht kann die Lateralgeschwindigkeit wieder erniedrigt werden und vorzugsweise null erreichen, während das metallische Material im linienförmigen Bereich erstarren gelassen wird.

In besonderen Ausgestaltungen der Erfindung kann ein kurzzeitiges komplettes Erstarren des metallischen Materials im linienförmigen Bereich während des Aufbaus einer neuen Schicht vorgesehen sein. Daraufhin kann das metallische Material an gleicher Stelle oder an einer anderen Stelle zur Schaffung des linienförmigen Bereichs wieder aufgeschmolzen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Kristallorientierung des Einkristalls durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung und Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten definiert eingestellt. Vorzugsweise wird die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, definiert eingestellt. Die Kristallorientierung kann dabei so eingestellt werden, dass sie in Aufbaurichtung konstant bleibt. Insbesondere können die primäre und die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie in Aufbaurichtung konstant bleiben. Alternativ kann die Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie sich in Aufbaurichtung definiert verändert. Insbesondere können die primäre und die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt werden, dass sie sich in Aufbaurichtung definiert verändern, z. B. kontinuierlich drehen und/oder verkippen. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Kristallorientierung innerhalb des Einkristalls durchaus ändern darf. Solange dabei keine Großwinkelkorngrenzen auftreten, spricht man weiterhin von einem Einkristall oder einem „technischen Einkristall“.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten gleich oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht. Vorzugsweise ist die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter gleich oder um 90° gedreht.

Die primäre Kristallorientierung kann nach und nach beim Wachstum des Einkristalls in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung, verkippt werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten wiederholt gleichbleibt.

Die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, kann in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung bzw. in Wachstumsrichtung des Einkristalls, konstant gehalten werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten entsprechend der Rotationssymmetrie des Kristallgitters um beispielsweise 90° gedreht wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten gleich oder um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht. Vorzugsweise ist die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter gleich oder um 90°, 180° oder 270° gedreht.

Vorzugsweise wird die primäre Kristallorientierung nach und nach beim Wachstum des Einkristalls in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung, verkippt, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten wiederholt gleichbleiben.

Die primäre Kristallorientierung kann in z-Richtung kontinuierlich um 0,01° bis 3° pro Schicht, vorzugsweise um 0,1° bis 2° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,5° bis 1° pro Schicht verkippt werden. Durch wiederholtes Ausführen des Verkippens in aufeinanderfolgenden Schichten kann vorzugsweise ein gesamter Verkippwinkel von bis zu 45° gegenüber der z-Richtung erreicht werden Bei einer Schichtdicke von beispielsweise 50 pm und einer Verkippung von 1° pro Schicht kann ein gesamter Verkippwinkel von 45° bei einem Wachstum des Einkristalls um 2.250 pm in z-Richtung erreicht werden. Nach Erreichen eines gewünschten Verkippwinkels wird vorzugsweise zu einer vollständig symmetrischen Schmelzstrategie zurückgekehrt, das heißt die primäre und/oder sekundäre Kristallorientierung wird vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben konstant gehalten.

Vorzugsweise wird die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und die sekundäre Kristallorientierung, in z-Richtung, das heißt in Aufbaurichtung bzw. in Wachstumsrichtung des Einkristalls, konstant gehalten, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht werden. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten dazu bei einem kubischen Kristallgitter jeweils um 90° gedreht. Die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs ist somit vorzugsweise in der übernächsten Schicht um 180°, in der drittnächsten Schicht um 270°, in der viertnächsten Schicht um 360° gedreht, und so weiter.

Diese Vorgehensweise ist bei kubischen Kristallsystemen besonders vorteilhaft. Dadurch entstehen vorteilhaftweise Bauteile mit nahezu exakter Ausrichtung der [100]-Richtung in z-Richtung, beispielsweise mit einer maximalen Abweichung von 1 bis 2°. Dies bedeutet eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren. Bei gusstechnischen Verfahren müssen Abweichungen von bis zu 15° toleriert werden.

Von Vorteil ist weiterhin, dass eine bauteilgrößenabhängige Einkristallmosaizität beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht zu beobachten ist. Unter Einkristallmosaizität wird verstanden, dass die Dendriten innerhalb des Einkristalls nicht alle gleich ausgerichtet sind. In der x-y-Ebene hängt die Ausrichtung des Einkristalls von den kristallplastischen Eigenschaften des Materials ab. Für Nickelbasislegierungen beispielsweise ist die [100]-Richtung um 45° bezüglich der Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs gedreht. Die Einkristallselektion erfolgt dabei im Bereich von einigen Millimetern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Ausdehnungsrichtung und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten, insbesondere in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schichten, oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Schichten um einen gleichen Winkelbetrag gedreht, vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.

Dadurch kann die Kristallorientierung, insbesondere die sekundäre Kristallorientierung, bezüglich der x-y-Ebene, das heißt der Bauebene, des Einkristalls gedreht werden, vorzugsweise kontinuierlich um 0,01° bis 10° pro Schicht, bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,3° bis 0,7° pro Schicht. Die Drehung des Einkristalls erfolgt dabei spannungsinduziert.

Zusätzlich kann die primäre Kristallorientierung konstant gehalten werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten zusätzlich um einen Winkel entsprechend einer Rotationssymmetrie des Kristallgitters gedreht werden. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs dazu in aufeinanderfolgenden Schichten bei einem kubischen Kristallgitter zusätzlich jeweils um 90° gedreht. Vorzugsweise werden die Ausdehnungsrichtung und die Richtung der Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in aufeinanderfolgenden Schichten also um 90° + 0,01° bis 90° + 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 90° + 0,1° bis 90° + 1° pro Schicht gedreht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs während des Aufbaus der neuen Schicht variiert. In Bezug auf die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs kann dabei die Richtung der Lateralbewegung und/oder der Betrag der Lateralgeschwindigkeit variiert werden.

Alternativ oder zusätzlich kann die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs und/oder die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs in Aufbaurichtung variiert werden. In Bezug auf die Lateralbewegung des linienförmigen Bereichs kann auch dabei die Richtung der Lateralbewegung und/oder der Betrag der Lateralgeschwindigkeit variiert werden. Das Variieren kann in Aufbaurichtung in einer konkreten Abfolge aufeinanderfolgender Schichten vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Variieren in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schichten oder jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Schichten vorgesehen sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nur in Teilbereichen des Bauteils ein linienförmiger Bereich aufgeschmolzen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden im Bauteil einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche hergestellt. Dabei ist es möglich, dass einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche abwechselnd hergestellt werden. Vorzugsweise werden einkristalline und polykristalline, insbesondere feinkristalline, Bereiche nebeneinanderliegend hergestellt. Z.B. kann ein einkristalliner Bereich umgeben von einer feinkristallinen Hülle hergestellt werden. Die einkristallinen Bereiche sind vorzugsweise jeweils durch einen erfindungsgemäßen Einkristall gebildet, das heißt durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Einkristall.

Beispielsweise kann eine Turbinenschaufel aus einem von einer feinkristallinen Hülle umgebenen Einkristall nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Eine solche Turbinenschaufel zeichnet sich vorteilhafter weise durch lokal angepasste mechanische Eigenschaften aus. Das kann vorteilhaft z.B. für das Ermüdungsverhalten sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Bauteil eine kontinuierliche Änderung der Kristallorientierung hergestellt, vorzugsweise eine kontinuierliche Drehung um die Aufbaurichtung und/oder eine kontinuierliche Verkippung bezüglich der Aufbaurichtung, vorzugsweise um 0,01° bis 10° pro Schicht, besonders bevorzugt um 0,1° bis 1° pro Schicht.

Wie oben bereits erläutert bezieht sich die Verkippung bezüglich der Aufbaurichtung auf die primäre Kristallorientierung und die Drehung um die Aufbaurichtung auf die sekundäre Kristallorientierung.

Für Metalle und Legierungen, die nicht im kubischen Kristallsystem erstarren, sondern z.B. hexagonale Kristalle bilden, müssen die oben genannten Aufbaustrategien der Symmetrie des Gitters angepasst werden, um analoge Effekte zu erzeugen.

Nach Maßgabe der Erfindung wird weiterhin ein Bauteil umfassend einen Einkristall oder mehrere Einkristalle mit exakt eingestellter primärer und/oder sekundärer Kristallorientierung beansprucht. Das Bauteil ist vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt. Die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung können dabei so eingestellt sein, dass sie über den gesamten Einkristall bzw. über das gesamte Bauteil hinweg oder abschnittsweise konstant sind. Weiterhin können die primäre und/oder die sekundäre Kristallorientierung so eingestellt sein, dass sie sich über den gesamten Einkristall bzw. über das gesamte Bauteil hinweg oder abschnittsweise verändern, insbesondere kontinuierlich verändern.

Das Bauteil ist vorzugsweise eine Turbinenschaufel. Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise in einer Gasturbine eingebaut. Die Gasturbine ist vorzugsweise land- oder luftbasiert.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel, weist vorteilhafterweise lokal angepasste mechanische Eigenschaften auf.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in der Herstellung befindlichen Bauteils mit linienförmigem Bereich, Fig. 2 eine schematische Zeichnung zeitlicher Verläufe von Temperatur,

Spannung und plastischer Dehnung in einer Wärmeeinflusszone,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Bildung eines einkristallinen Bauteils,

Fig. 4 ein experimentelles Beispiel einer Bildung eines einkristallinen Bauteils, Fig. 5 eine schematische Zeichnung mit Polfiguren zur Beschreibung der

Bildung eines einkristallinen Bauteils sowie des Drehens der und des Verkippens der Kristallorientierung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines in der Fierstellung befindlichen Bauteils 1 mit linienförmigem Bereich 2. Das Bauteil 1 wird in einem Bauraum innerhalb einer Vakuumkammer schichtweise aus einem metallischen Material aufgebaut. Zum Aufbau einer neuen Schicht werden vorzugsweise mit einer Rakel Pulverschichten aus dem metallischen Material als Pulverbett aufgetragen, durch mehrfaches Rastern mit einem Elektronenstrahl geheizt und selektiv im linienförmigen Bereich 2 geschmolzen. Die Dicke der neuen Schicht beträgt beispielsweise 50 pm. Die Leistung des Elektronenstrahls beträgt beispielsweise 1 kW. Der Bauraum weist eine x-y-Ebene als Bauebene und eine z-Richtung als Aufbaurichtung auf. Die Dimension des Bauraums beträgt beispielsweise 300 mm in der Bauebene und 300 mm in der Aufbaurichtung. Das metallische Material ist im linienförmigen Bereich 2 durch selektives Elektronenstrahlschmelzen aufgeschmolzen. Der linienförmige Bereich 2 weist entlang seiner Ausdehnungsrichtung eine Länge L und jeweils senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung eine Breite B sowie eine Tiefe D auf. Die Tiefe D des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 500 pm. Der linienförmige Bereich 2 dringt also auch in die zehn unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten ein. Die Breite B des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 1,5 mm. Die Länge L des linienförmigen Bereichs beträgt beispielsweise 15 mm. Der linienförmigen Bereich 2 ist von einer Wärme einflusszone 3 umgeben. Das metallische Material in der Wärmeeinflusszone 3 ist nicht aufgeschmolzen, genauer gesagt zum Teil noch nicht aufgeschmolzen, zum Teil nicht mehr aufgeschmolzen. In der Wärmeeinflusszone 3 wirkt ein durch den Elektronenstrahl erzeugtes Temperaturfeld insbesondere auf das bereits erstarrte metallische Material in unmittelbar vor der neuen Schicht hergestellten Schichten.

Der linienförmige Bereich 2 wird mit einer Lateralgeschwindigkeit vi _at senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegt. Die Lateralgeschwindigkeit vi _at beträgt beispielsweise 5 mm/s.

Durch das Aufschmelzen und das anschließende Erstarren des metallischen Materials wird eine plastische Verformung des metallischen Materials im Zuge thermisch induzierter mechanischer Spannungen verursacht. Die mechanischen Spannungen werden durch Einstellen der Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und Temperatur des linienförmigen Bereichs gezielt erzeugt. Die mechanischen Spannungen übersteigen insbesondere im linienförmigen Bereich 2 und/oder in der Wärmeeinflusszone 3 die Fließgrenze des metallischen Materials. Die mechanischen Spannungen weisen aufgrund der linienförmigen Ausgestaltung des linienförmigen Bereichs eine Vorzugsrichtung auf. Das mechanische Spannungsfeld ist also anisotrop. Diese Anisotropie führt zur Erzeugung eines Einkristalls. Durch das durch Einstellen von Ausdehnungsrichtung, Geschwindigkeit und Temperatur des linienförmigen Bereichs gezielt erzeugte mechanische Spannungsfeld kann die Kristallorientierung, insbesondere die primäre und sekundäre Kristallorientierung, genau eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Zeichnung die Temperatur T, die mechanische Spannung in y-Richtung a _yy und die plastische Dehnung in y- Richung s _yy jeweils als Funktion der Zeit t in der Wärmeeinflusszone 3. Mit TB ist dabei die Bautemperatur benannt. In der Bauebene, das heißt in der x-y-Ebene, wird hinsichtlich der mechanischen Spannung und der plastischen Dehnung die Symmetrie gebrochen. Dieser Symmetriebruch gekoppelt mit der Eigenschaft von Kristallen, sich durch plastische Deformation in bestimmte Richtungen auszurichten, was als Texturbildung bezeichnet wird, führt letztendlich zur kontrollierten Ausrichtung jedes einzelnen Stängelkristalls und schließlich zur Erzeugung des Einkristalls.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildung eines einkristallinen Bauteils. Darin ist die Ausrichtung einzelner Kristallite in verschiedenen Bauhöhen beim Aufbau eines Bauteils visualisiert. Die Aufbaurichtung 4 steht dabei senkrecht zur Papierebene, verläuft also in z-Richtung. Die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 liegt in der Papierebene und ist von Schicht zu Schicht abwechselnd in einer ersten Schicht parallel zur x-Achse, in einer zweiten Schicht parallel zur y-Achse, und so weiter. Die Bewegungsrichtung des mit der Lateralgeschwindigkeit vi _at senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung bewegten linienförmigen Bereichs 2 ändert sich dabei von Schicht zu Schicht um 90° im Uhrzeigersinn. Die primäre Kristallorientierung ist bereits nach ein paar 100 pm Bauhöhe genau eingestellt: die einzelnen Kristallite sind jeweils in z-Richtung, das heißt in [001]-Richtung, ausgerichtet. Bei 1 mm ist die sekundäre Kristallorientierung noch isotrop. Mit zunehmender Bauhöhe wird jedes einzelne Kristallit nach und nach auf eine Winkelposition bezüglich der x-Achse von 45° gedreht, das heißt auch die sekundäre Kristallorientierung wird genau eingestellt. Zwischen einer Bauhöhe von 5 mm und 15 mm verschwinden die Großwinkelkorngrenzen (dargestellt mit durchgezogenen Linien). Es bleiben lediglich Kleinwinkelkorngrenzen (dargestellt mit gestrichelten Linien) bestehen. Die Kristallite sind deshalb in einer Bauhöhe von 15 mm schließlich vollständig zu einem Einkristall verschmolzen.

Fig. 4 zeigt ein experimentelles Beispiel einer Bildung eines einkristallinen Bauteils 1. Im konkreten Beispiel handelt es sich um eine Nickelbasis- Einkristalllegierung des Typs CMSX-4. Die Herstellung erfolgt durch selektives Elektronenstrahlschmelzen. Ein Ausschnitt des stangenförmigen Bauteils 1 ist im unteren Teil der Fig. 4 abgebildet. Die durch einen Pfeil dargestellte Aufbaurichtung 4 geht von rechts nach links. Die Grauwerte zeigen unterschiedliche Kristallorientierungen. Großwinkelkorngrenzen sind durch schwarze Linien gekennzeichnet. Im oberen Teil der Fig. 4 sind exemplarisch drei Ausschnitte aus dem stangenförmigen Bauteil vergrößert dargestellt. Der rechts gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf die ersten 2 mm in Aufbaurichtung 4. Darin sind noch viele unterschiedliche Kristallorientierungen mit dazwischenliegenden Großwinkelkorngrenzen zu beobachten. Der mittig gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf eine Bauhöhe von etwa 5 bis 7 mm in Aufbaurichtung 4. Hier hat sich bereits in größeren Bereichen die Kristallorientierung angeglichen. Die Großwinkelkorngrenzen lösen sich mit fortschreitender Bauhöhe immer mehr auf. Der links gezeigte vergrößerte Ausschnitt bezieht sich auf eine Bauhöhe von etwa 22 bis 24 mm in Aufbaurichtung 4. Hier hat sich die Kristallorientierung weitgehend angeglichen. Die Großwinkelkorngrenzen sind größtenteils aufgelöst. Das Verschwinden der Großwinkelkorngrenzen zeigt das Verschmelzen zum Einkristall.

Fig. 5 zeigt eine schematische Zeichnung mit Polfiguren zur Beschreibung der Bildung (a) eines einkristallinen Bauteils 1 sowie des Drehens (b) der sekundären Kristallorientierung und des Verkippens (c) der primären Kristallorientierung des einkristallinen Bauteils 1. In einer linken Spalte ist schematisch ein stangenförmiges Bauteil 1 gezeigt. Die Aufbaurichtung 4 verläuft dabei durch einen vertikalen Pfeil dargestellt in der Figur von unten nach oben in z-Richtung. Für vier verschiedene Bauhöhen ist jeweils eine Polfigur dargestellt. Die vier verschiedenen Bauhöhen sind dabei jeweils durch einen horizontalen Pfeil markiert. In der nächsten Spalte (a) ist die Einkristallselektion ausgehend von einer isotropen Verteilung in der untersten Polfigur bis zu einer Ausprägung genau definierter Positionen in der obersten Polfigur dargestellt. In der obersten Polfigur der Spalte (a) ist bereits ein einkristalliner Zustand genau eingestellt. Ausgehend von diesem einkristallinen Zustand kann die sekundäre Kristallorientierung gezielt verändert werden. Das Kristallgitter kann also in der x-y-Ebene gedreht werden. Dies ist in der Spalte (b) anhand vier weiterer Polfiguren visualisiert. Die unterste Polfigur entspricht dabei der obersten Polfigur der Spalte (a). Zur Drehung des Kristallgitters wird die Scanrichtung des Elektronenstrahls und damit die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 in der x-y-Ebene pro Schicht um beispielsweise 0,5° + 90° gedreht. Ausgehend vom Zustand in der unterste Polfigur wird die sekundäre Kristallorientierung in der Spalte (b) sukzessive bis zur obersten Polfigur um 45° gedreht. In der Spalte (c) wird daraufhin die primäre Kristallorientierung gezielt verändert. Dabei wird der Einkristall gegenüber der z- Richtung verkippt. Dies ist in der Spalte (c) anhand vier weiterer Polfiguren visualisiert. Die unterste Polfigur entspricht dabei der obersten Polfigur der Spalte (b). Das Verkippen des Einkristalls erfolgt durch Symmetriebruch. Ein Symmetriebruch kann erreicht werden, indem die Ausdehnungsrichtung des linienförmigen Bereichs 2 und dessen Bewegungsrichtung in aufeinander folgenden Schichten gleichbleibt.

Auch wenn hier bereits die Abschnitte, in denen das Bauteil 1 in einer Anfangsphase des Herstellungsverfahrens noch keinen einkristallinen Zustand aufweist, gleichwohl als Bauteil 1 bezeichnet sind, versteht es sich von selbst, dass vorzugsweise lediglich die Abschnitte nach erfolgter Einkristallselektion schließlich das Bauteil 1 bilden. Dazu können die Abschnitte aus der Anfangsphase des Herstellungsverfahrens vom Bauteil 1 abgetrennt werden.

Bezugszeichenliste 1 Bauteil

2 linienförmiger Bereich

3 Wärmeeinflusszone

4 Aufbaurichtung L Länge

B Breite

D Tiefe a _yy mechanische Spannung in y-Richtung s _yy plastische Dehnung in y-Richung T Temperatur

TB Bautemperatur