Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, insbesondere Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohre oder Bleche, aus Metallen, die in Form von Halbzeug einge¬ setzt werden.

Die werkstofftechnischen Eigenschaften reaktiver Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihrer Legierungen sowie von Superlegierungen (Legierungen auf Basis von Nickel oder Kobalt) , werden entscheidend durch ihre Rein¬ heit, insbesondere durch die Abwesenheit von Oxiden und keramischen Verunreinigungen bestimmt. Wegen der hohen Schmelzpunkte der genannten Metalle und Legierungen und der mechanischen Eigenschaften derselben sind Umformverfahren und Verfahren zur spanabhebenden Formgebung sehr aufwändig.

Aus der US 6,043,451 A ist ein Verfahren zum Plasmabeschichten von Bauteilen und zum Sprühkompaktieren von Folien aus Nickel-Titan-Legie- rungen bekannt. Das Metall wird bei dem aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren einem Plasmabrenner als Pulver oder Draht zugeführt. Das Herstellen von Pulver und Draht ist sehr aufwändig und teuer und er¬ fordert mindestens eine Fertigungsstufe ausgehend von (großformatigem) Halbzeug. Bei pulverförmigem Metall besteht wegen der großen Oberfläche überdies erhöhte Gefahr der Aufnahme von Sauerstoff.

Nachteilig bei dem aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren ist die durch die Radialsymmetrie des Plasmabrenners bedingte Ausbildung eines kegelförmigen Sprühstrahles aus geschmolzenem Metall, wodurch breitere Folien oder Beschichtungen nur durch Überlappen mehrerer Sprühkegel bzw. mehrmaliges Besprühen mit demselben Sprühkegel erzeugt werden können. Die so erzeugten Schichten haben ein ungewünschtes, inhomogenes Ober¬ flächenprofil (vgl. Fig. 2a) . Die Produktionsleistung ist mit nur 3 kg/h (50g/min) sehr klein und somit für das Erzeugen dickerer Folien oder Beschichtungen oder von Halbzeugen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen, wenig geeignet.

Das Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Gasverdüsung ist bekannt.

Beispielsweise ist aus der DE 197 58 111 A ein Verfahren zum Herstellen von Metallpulvern bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren tritt die Metallschmelze in Form eines Films aus einer Düse mit schlitzförmiger Austrittsöffnung aus. Der Film wird von einer laminaren Gasströmung in einer Laval-Gasdüse stabilisiert und anschließend fein zerstäubt. Die Produktivität des Düsensystems kann durch Verlängern des Düsenschlitzes ohne nachteilige Auswirkungen auf die Pulverqualität beliebig verändert werden. Beim Schmelzen in Behältern besteht jedoch grundsätzlich die Gefahr der Verunreinigung des erhaltenen Metallpulvers durch Werkstoffe der Behälter.

Aus der DE 41 02 101 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem Metalle in Form einer vertikal angeordneten Stange mit radial-symmetrischem Quer¬ schnitt unter inerter Atmosphäre durch Induktion am unteren Ende abge¬ schmolzen werden. Die Schmelze tropft unter dem Einfluss der Schwerkraft und des elektromagnetischen Drucks (resultierend aus der Induktions¬ spule) ab. Die Tropfen werden dann durch einen aus einer Ring- spaltdüse austretenden Gasstrom zu einem relativ groben Pulver mit einer mittleren Korngröße von etwa 50μm mit breiter Korngrößenverteilung zerstäubt. Die Metallstange wird während des Abschmelzens um ihre Längsachse gedreht und entsprechend dem Verzehr in die Induktionsspule nachgeführt. Dazu ist ein aufwändiger Antrieb erforderlich. Der Gasverbrauch je Kilogramm Metallpulver ist hoch. Feine Pulver mit einer Korngröße unter 30μm können nur mit geringer Ausbeute hergestellt werden. Die Gesamtprodukti¬ vität des aus der DE 41 02 101 A bekannten Verfahrens ist mit etwa 20kg/Stunde gering und kann nicht ohne Qualitätseinbußen des Pulvers erhöht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, mit dem ein direktes Überführen von Metall, das beispielsweise als kommerziell erhältliches Halbzeug vorliegt, in Pulver, Metallfolien, Oberflächenbeschichtungen oder andersformatige Erzeugnisse (Halbzeuge) mit hoher Produktivität kostengünstig und ohne die Gefahr des Einbringens von Verunreinigungen möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, welches die Merkmale vom Anspruch 1 aufweist.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Metall in Form eines handels¬ üblich erhältlichen Halbzeuges, das beispielswiese die Form eines Qua¬ ders hat, berührungslos aufgeschmolzen und zu einem linearen, insbeson¬ dere keilförmigen, Sprühstrahl verdüst. Dieser Sprühstrahl wird benützt, um das gewünschte Erzeugnis aus Metall zu erzeugen. Mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren können verschiedene Erzeugnisse aus Metall hergestellt werden. Beispielsweise können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Metallpulver hergestellt werden, wobei es in Ausführungsformen besonders vorteilhaft ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren auch das Herstellen von Metallpulvern aus reaktiven Metallen möglich ist. In jedem Fall ist gewährleistet, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Verunreinigungen des Metalls ausgeschlossen oder doch weitestgehend verhindert sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere Erzeugnisse aus Metall hergestellt werden, indem beispielsweise Ober- flächen beschichtet oder Halbzeuge, wie Folien, Bleche oder Bolzen, hergestellt werden.

Beispielsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Metall des Halbzeuges geschmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei¬ spielsweise auch zum Beschichten von Werkstücken angewendet werden.

In einer zum Herstellen von Metallpulvern bestimmten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann Halbzeug, z.B. ein Bolzen, des Me- talls, das eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, induktiv an der Oberfläche seiner beiden Längsseiten seiner Stirnseite geschmolzen werden. Die abschmelzende Stirnseite befindet sich innerhalb der laminaren Gasströmung einer linearen Düse. Die beiden Hälften der linearen Venturi-Düse bestehen bevorzugt aus einem nicht an das Magnet- feld der Induktionsheizung ankoppelnden Werkstoff.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind in die Venturi-Halbdüse Rohre aus Metall, vorzugsweise Kupfer, eingelassen, welche als Leiter für den induktiven Erregerstrom bei gleichzeitiger Kühlung durch ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, dienen. Die Rohre sind beispielsweise jeweils an den Enden der Venturi-Halbdüse über weitere Rohre miteinander verbunden.

Bei dieser Ausführungsform streichen die Gasströme über die schmelzende Oberfläche des beispielsweise in form eines Bolzens zugeführten Halb- zeugs und fördern die Schmelze in Form zwei sehr dünner Filme zur Bol¬ zenspitze. Hier vereinigen sich beide Filme und der entstehende Schmel¬ zefilm wird von der laminaren Gasströmung weiter stabilisiert, beschleu¬ nigt und schließlich zu feinen Tröpfchen zerstäubt.

Bei der Erfindung muss der Flüssigkeits- (schmelze-) film nicht mit einer nach unten gerichteten Bewegung aus der Düse austreten. Das erfindungs¬ gemäße Verfahren arbeitet unabhängig von der Lage, also nicht nur verti¬ kal nach oben, sondern auch horizontal oder vertikal nach unten, sowie in jeder anderen Ausrichtung.

Die Führung des Flüssigkeitsfilmes, insbesondere des Films aus Metall¬ schmelze, durch die Gasströmung ist stärker als die auf die Schmelze wirkende Schwerkraft. Die Unabhängigkeit der Lage der Zerstäubungsdüse gibt dem Konstrukteur von Düsungsanlagen gemäß der Erfindung gestalteri¬ sche Freiheitsgrade, die in einer Verringerung der Bauhöhe der Anlage genutzt werden können.

In einer Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Behälter ausgeführt, wobei in einer Ausführungsform ein praktisch konti¬ nuierliches Erzeugen von Metallprodukten möglich ist, indem an das durch Abschmelzen nahezu aufgebrauchte Halbzeug ein neues Halbzeug angeschlossen, z.B. durch wenigstens eine Schweissnaht, verbunden wird. Durch wiederholtes Einschleusen und Anschweissen weiterer Halbzeuge, insbesondere Halbzeug in Form von Metallstangen, kann der eigentliche Verdüsungsprozess kontinuierlich und kostengünstig ausgeführt werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt Fig. 1 schematisch eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 eine andere Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3a eine Beschichtung, wie sie nach dem Stand der Technik (US 6,043,451 A) erhältlich ist und Fig. 3b eine Beschichtung, wie sie beim Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist eine beispielsweise Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Folie aus Metall. Diese Anordnung besteht aus einer länglichen (linearen) Gasdüse 1, in der wassergekühlte Kupferrohre 2 angeordnet sind. Die Kupferrohre 2 dienen dazu, ein induktives Magnetfeld zu erzeugen. Das zu verarbeitende Halbzeug 3 aus Metall mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt wird in die langgestreckte Eingangsöffnung der Gasdüse 1 eingeführt und unter Wirkung des induktiven Magnetfeldes berührungslos an seinen Längsseiten geschmolzen.

Eine durch eine nicht näher gezeigte Einrichtung auf die langgestreckte Mündung der Gasdüse 1 gerichtete Gasströmung 4, die bevorzugt symme¬ trisch ist, also von beiden Seiten des Halbzeuges 3 in die Gasdüse 1 gerichtet wird, nimmt das geschmolzene Metall mit und fördert es unter Ausbildung eines dünnen Filmes 5 durch die Mündung der Gasdüse 1. Die bei der Erfindung verwendete Gasdüse 1 kann als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet sein. Nach dem Durchtritt durch die engste Stelle der Gasdüse 1 (langgestreckte Mündung derselben) wird der Film 5 aus Metallschmelze zu einem linearen keilförmigen, im wesentlichen zeltförmigen Sprühstrahl 6 zerstäubt. Der Sprühstrahl 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf ein endloses und gekühltes Metallband 7 als Träger gerichtet.

Die Tröpfchen geschmolzenen Metalls sind zum Zeitpunkt des Auftreffens auf das Metallband 7 flüssig oder noch wenigstens teilweise flüssig und erstarren zu einer Metallfolie 8 mit homogener Oberfläche (ausgenommen die beiden Ränder) . Die Metallfolie 8 kann nach ihrem vollständigen Erstarren, das durch erzwungenes Abkühlen unterstützt werden kann, und Ablösen vom Metallband 7 zu einer Folienrolle 9 aufgewickelt werden.

Durch Anpassen der Länge des Sprühstrahles 6 an die gesamte (ganze) Breite der Oberfläche des Trägers 7, z. B. des endlosen Metallbandes 7 oder des Halbzeuges - mit Ausnahme der beiden Ränder - kann Metall in gleichmäßiger Dicke auf den Träger 7 aufgebracht werden.

Fig. 3a zeigt das Sprühergebnis mit einer konventionellen Runddüse (vgl. US 6,043,451 A), bei dem mehrere Metallraupen 1 bis 4 nebeneinander gesprüht werden. Fig. 3b zeigt eine Metallfolie 8, die mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, bei dem in einem einzigen Sprühvorgang eine gleichmäßig dicke Metallschicht (Folie 8) entsteht.

Die Produktivität des Verfahrens der Erfindung läßt sich über die Länge des Sprühstrahls sowie über die Abschmelzheizleistung der Induktionshei- zung beliebig einstellen. Das als Rohmaterial bevorzugt in Form von Halbzeug zugefügte Metall wird in einem Arbeitsgang in das gewünschte Endprodukt übergeführt, kommt daher nur mit dem Verdüsungsgas in Berührung und kann, wenn die Reinheit der Gasatmosphäre hoch genug ist, ohne Zunahme an Verunreinigungen in das Erzeugnis aus Metall übergeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäß Verfahren wird in einer Ausführungsform re¬ aktives Metall oder Legierung durch Sprühkompaktieren thermisch verdich¬ tet, wobei das Ausgangsmaterial in Form von Halbzeug berührungslos, insbesondere induktiv geschmolzen und zu einem linearen, keilförmigen Sprühstrahl zerstäubt wird. Die Teilchen des Sprühstrahls werden bei¬ spielsweise zu Metallpulver erstarren gelassen, auf einem Substrat zu einem Erzeugnis sprühkompaktiert oder als Oberflächenbeschichtung auf ein Bauteil aufgebracht.

Mit dem erfindungsgemäß Verfahren können beliebige Metalle, insbesondere reaktive Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium oder eine Legierung auf Basis dieser Metalle, verarbeitet werden.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren für das Verarbeiten einer Nickel-Titan-Legierung oder einer Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt geeignet.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zu verarbeitende Halbzeug ein Verbundwerkstoff aus hochschmelzenden Phasen und niedrigschmelzender Bindematrix. Die hochschmelzende Phase kann ein Carbid sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter anderem Erzeugnisse in Form von Folien, Blechen, Rohren oder Bolzen hergestellt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass sich die Reinheit des Erzeugnisses nur geringfügig von der Reinheit des Ausgangs- materials (Halbzeug) unterscheidet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, die Produk¬ tivität je Längeneinheit des Sprühstrahls über die zugeführte Heizlei¬ stung (induktive Heizung) stufenlos zu regeln. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht auch die Möglichkeit, nach¬ einander mehrere langgestreckte Sprühstrahlen auf ein und dasselbe Substrat zu sprühen, um eine höhere Schichtdicke zu erzielen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätz¬ lich zu dem Sprühstrahl aus geschmolzenem Metall in Form von Tröpfchen über eine weitere Düse Dispersoide gezielt eingebracht. Solche Disper- soide können beispielsweise sein: Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Korund (Al2O3) oder Zirkoniumoxid. Zweck des Zusatzes solcher Dispersoide und anderer Zusatzstoffe, die auch flüchtig sein können, ist es, die Eigen¬ schaften des Verfahrensproduktes in die gewünschte Richtung zu beein¬ flussen.

Um das Ablösen des Erzeugnisses vom Träger 7 (Substrat) zu vereinfachen, kann auf das Substrat vor dem Sprühkompaktieren ein Trennmittel aufge¬ bracht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere beim Herstellen von Metallpulver wie nachstehend an einem Beispiel beschrieben ausgeführt werden.

In einem gasdichten, argongefüllten Behälter, der sich auf gleichem Druck wie die Behälterumgebung befindet, wird eine Stange aus Titan mit rechteckigem Querschnitt (Ausgangsabmessung: Breite 50 mm, Dicke 40 mm, Länge 3000 mm) tiegelfrei mit einer Induktionsfrequenz von 350 kHz abgeschmolzen und mit 5 kg/min verdüst. Wenn die erste Stange auf eine Länge von 500 mm abgeschmolzen ist, wird eine neue Stange, nachdem sie die Vorschleusenkammer mit Inertisierung und Druckausgleich passiert hat, an das der Verdüsung abgewandte Ende der ersten Stange herange- führt, und die beiden Stangen werden an ihren beiden dem Abschmelz¬ aggregat abgewandten Seiten linear mittels Laserstrahl ohne Zusatzwerk¬ stoff miteinander verschweißt. Die Nahtstelle hält beide Stangen zu¬ sammen, bis sie schließlich selbst die Abschmelzzone erreicht und mit¬ aufgeschmolzen wird. Durch wiederholtes Einschleusen und Anschweissen einer neuen Metallstange kann der eigentliche Verdüsungsprozess kontinu¬ ierlich und kostengünstig durchgeführt werden. Bei einem Gasdruck von 30 bar in der Rohrleitung vor der linearen Gasdüse wird ein Pulver mit einer mittleren Korngröße von 9,0 μm erhalten.

Eine hiezu beispielsweise geeignete Vorrichtung ist in Fig. 2 darge- stellt. Diese Vorrichtung besitzt eine lineare Gasdüse 10 mit interner Zuführung des primären Verdüsungsgases 13. In die lineare Gasdüse 10 ist eine Induktionsspule 12 integriert. Aus der linearen Gasdüse 10 tritt, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, primäres Verdüsungsgas 13 aus und zwar im gezeigten Ausführungsbeispiel symmetrisch, sodass zwei Ströme primären Verdüsungsgases 13 vorliegen.

Des Weiteren ist in der linearen Gasdüse 10 eine sekundäre Gas-strömung 14 vorgesehen, welche an dem von der Metallstange 15 mit rechteckigem Querschnitt abschmelzenden Metall einen Schmelzefilm 21 bildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die abschmelzende Metallstange 15 durch drehangetriebene Führungsrollen 18 zur Gasdüse 10 hin vorgescho¬ ben.

Die primären Gastströme 13 werden durch das primär innerhalb der Gasdüse 10 zugeführte Verdüsungsgas erzeugt. Die primären Gasströme 13 erzeugen einen lokalen Unterdruck, durch den Gas angesaugt wird, das die als Stützgas dienenden sekundären Gasströme 14 bildet.

Die gesamte Anordnung ist in einem Gehäuse 19 untergebracht, das mit einem Inertgas, insbesondere Argon, gefüllt ist, wobei sich das Gas in dem Gehäuse 19 auf gleichem Druck wie die Behälterumgebung befindet.

Die Metallstange 15 kann beispielsweise eine Stange aus Titan sein. Unter der Einwirkung der primären Verdüsungsgasströme 13 wird aus dem Schmelzefilm 21 ein Sprühstrahl aus Metalltröpfchen 22 gebildet. Diese Tröpfchen geschmolzenen Metalls 22 können zu einem Pulver erstarren oder, wie anhand von Fig. 1 und 2b beschrieben, sprühkompaktiert werden.

Um ein quasi kontinuierliches Arbeiten zu ermöglichen, kann beim erfin¬ dungsgemäßen Verfahren, so wie in Fig. 2 angedeutet, an den abschmelzen¬ den Metallstab 15 ein weiterer Metallstab mit rechteckigem Querschnitt angefügt werden, indem er mit dem Metallstab 15 durch zwei Schweißnähte 17, die insbesondere parallel zur Zeichenebene der Fig. 2 ausgerichtet sind, verbunden wird. Der nachgeführte Metallstab 16 wird ebenfalls durch drehangetriebene Führungsrollen 18 geführt. Im Anschluss an die lineare Gasdüse 10 ist noch ein Behälter 25 vorgesehen, in dem sich das in Tröpfchen zerteilte, geschmolzene Metall (Metalltröpfchen bzw. Pul¬ verpartikel 22) zu einem Metallpulver verfestigen. Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden:

Zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Be- Schichtungen, und Formteilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug 15, wird das Metall des Halbzeuges 15 durch ein induktives Magnetfeld 12 geschmolzen, zerstäubt und in einer Kammer 25 zu einem Pulver erstarren gelassen oder auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt. Das geschmolzene Metall wird in einer Gasdüse 10, die entweder als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet ist, als Film 21, der durch Gasströme 14 stabilisiert wird, zugeführt und dann durch weitere Gasströme 13 zerstäubt.