Technologie zur Herstellung von Pulver aus nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen

Hochtemperaturlegierungen, auch als hitzebeständige Legierungen oder Superlegierungen bezeichnet, sind Legierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis, die bei hohen Temperaturen über 600°C Oxidation, Korrosion und Kriechen widerstehen können und über lange Zeit unter hoher mechanischer Belastung eingesetzt werden können. Insbesondere nickelbasierte Hochtemperaturlegierungen können bei hohen Temperaturen von 650~1000°C eine höhere Festigkeit sowie eine bessere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Daher gehören Hochtemperaturlegierungen heute zu den industriellen Spitzenwerkstoffen an der Spitze der Pyramide. Sie sind nicht nur Schlüsselwerkstoffe für die Heißendkomponenten von Flugtriebwerken und verschiedene Hochtemperaturkomponenten von Raumfahrtraketenmotoren, sondern werden auch umfassend in industriellen Gasturbinen, im Energiesektor, in der chemischen Industrie und in anderen Industriezweigen eingesetzt.

1. Pulverförmige Hochtemperaturlegierungen sind die bevorzugten Werkstoffe für wichtige Heißendkomponenten moderner Flugtriebwerke. Sie werden hauptsächlich zur Herstellung hochtemperaturbeständiger lasttragender Komponenten im Heißendbereich von Triebwerken verwendet, beispielsweise Turbinenscheiben, Kompressorscheiben, Trommelwellen und Hochdruckleitbleche von Turbinenscheiben. Bei pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen wird Metallpulver als Rohstoff eingesetzt, das anschließend durch thermische Verarbeitung weiterverarbeitet und verdichtet wird. Die Legierung weist eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf. Pulverförmige Superlegierungen haben drei Entwicklungsgenerationen durchlaufen und werden umfassend in verschiedenen wichtigen Bauteilen wie den Turbinenscheiben moderner militärischer und ziviler Flugtriebwerke eingesetzt. Die internationale Forschung und Entwicklung pulverförmiger Superlegierungen ist inzwischen in die vierte Generation eingetreten. Gussblöcke aus pulverförmigen Superlegierungen weisen keine makroskopische Seigerung, ein gleichmäßiges Gefüge, feine Körner, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und gute Warmverarbeitungseigenschaften auf. Dadurch können Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Triebwerks wirksam gewährleistet werden. Zudem ist eine nahezu endkonturnahe Fertigung mit kurzer Herstellungsdauer und niedrigen Produktionskosten möglich.

1.1 Herstellungsverfahren für pulverförmige Superlegierungen Der grundlegende Ansatz des Herstellungsverfahrens für pulverförmige Superlegierungen besteht darin, das Pulver unter dem Schutz einer inerten Atmosphäre herzustellen und zu verarbeiten und anschließend durch ein Warmumformverfahren zu konsolidieren und zu verdichten. Nach jahrelanger Entwicklung haben sich im Wesentlichen zwei Prozessrouten herausgebildet: zum einen das in westlichen Ländern wie Europa und den Vereinigten Staaten vertretene Verfahren „Pulverherstellung durch Argonzerstäubung (AA) + Warmextrusion (HEX) + isothermes Schmieden (ITF)“ und zum anderen das vor allem in Russland vertretene Verfahren „Pulverherstellung durch das Verfahren mit rotierender Elektrode (PREP) + heißisostatisches Pressen (HIP) zur direkten Formgebung“.

Die in meinem Land entwickelte Prozessroute lautet „Pulverherstellung durch das Plasma-Verfahren mit rotierender Elektrode (PREP) + heißisostatisches Pressen (IP) zur Formgebung + Schmieden mit Ummantelung/Wärmebehandlung“. Das Verfahren wurde erfolgreich zur Herstellung großformatiger FGH4095-Pulverturbinenscheiben eingesetzt. Die durch direkte HIP-Formgebung hergestellten Turbinenleitbleche und kleinformatigen Turbinenscheiben aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen haben den Probelauf bestanden und die Voraussetzungen für die Serienproduktion geschaffen. Auch die Forschungsarbeiten an der Turbinenscheibe FGH4096 mit Doppelleistung aus der zweiten Generation pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen haben bedeutende Durchbrüche erzielt. Durch das Verfahren „PREP+direktes HIP+isothermes Schmieden“ wurden Schlüsseltechnologien wie Pulverreinheit überwunden und eine FGH4096-Legierungsturbinenscheibe für ein Triebwerk mit hohem Schub-Gewichts-Verhältnis entwickelt. Durch die Anwendung von Feinkornschmieden und einer Wärmebehandlung mit Gradienten wurde ein Scheibenrohling mit einem Doppelgefüge erhalten, dessen Rand eine Korngröße von 5 bis 6 und dessen Nabe eine Korngröße von 10 bis 11 aufweist. Zur Lösung der Probleme übermäßiger Einschlussgrößen und nicht bestandener Ultraschallprüfungen bei Turbinenscheiben aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen hat mein Land Untersuchungen zum Verfahren „Extrusion + isothermes Schmieden“ durchgeführt und wichtige Fortschritte erzielt. Kürzlich extrudierte mein Land erfolgreich Rohlinge aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen für Turbinenscheiben von Flugtriebwerken auf dem 36.000-Tonnen-Extruder für Eisenmetalle der Northern Heavy Industry Group. Dies markiert einen bedeutenden Durchbruch in der Technologie pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen meines Landes. Untersuchungen haben gezeigt, dass die ursprüngliche Partikelgrenze (PPB) während der Extrusion beseitigt wird und die Einschlüsse entlang der Extrusionsrichtung wirksam zerkleinert werden. Im anschließenden Schmiedeprozess werden die Einschlüsse weiter zerkleinert und in der Ebene senkrecht zur Schmiederichtung verteilt. Mein Land hat außerdem mit explorativen Untersuchungen des Extrusionsverformungsprozesses pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen begonnen, insbesondere im Bereich der Finite-Elemente-Simulation. Durch die Simulation des Ummantelungsextrusionsprozesses kann der Einfluss von Faktoren wie den Parametern der Werkzeuggeometrie auf den Extrusionsprozess systematisch analysiert und dadurch die optimale Kombination der Werkzeuggeometrie bestimmt werden [9]. Das Verfahren „Extrusionsrohling + isothermes Schmieden“ ist zu einer der wichtigen Entwicklungsrichtungen für Turbinenscheiben aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen in meinem Land geworden.

1.2 Fehler in pulverförmigen Superlegierungen und ihre Auswirkungen
Einschlüsse, PPB und thermisch induzierte Poren (TIP) sind die drei wichtigsten Fehler pulverförmiger Superlegierungen und beeinträchtigen die Eigenschaften von Bauteilen aus pulverförmigen Superlegierungen erheblich. Forscher im In- und Ausland haben die Ursachen dieser Fehler und ihre Auswirkungen auf die Legierungseigenschaften umfassend untersucht und analysiert sowie entsprechende Maßnahmen und Methoden zur Verringerung und Beseitigung der Fehler vorgeschlagen.

Einschlüsse haben einen wichtigen Einfluss auf verschiedene mechanische Eigenschaften pulverförmiger Superlegierungen, insbesondere auf die Tieffrequenz-Ermüdungseigenschaften. Zu den Einschlüssen in pulverförmigen Superlegierungen gehören Oxide, organische Stoffe, Fremdmetalle und andere Partikel. Keramische Einschlüsse, Schlacke und andere Oxideinschlüsse stammen hauptsächlich aus den feuerfesten Materialien des Tiegels, der Gießpfanne und der Düse der Vorrichtung zum Schmelzen der Vorlegierung und zur Pulverherstellung sowie aus den Desoxidationsprodukten des Schmelzprozesses und festen Verunreinigungen im Argon. Gummi, Fasern und andere organische Stoffe stammen aus Verunreinigungen des Vakuumsystems des Pulverlagertanks, der Ventile sowie der Anlagen zur Pulverherstellung und -verarbeitung. Fremdmetalle stammen aus der vorherigen Charge zerstäubter Legierungen oder aus Ummantelungsmaterialien.

PPB ist ein Netzwerk aus an den Partikelgrenzen ausgeschiedenen Kohlenoxiden, das während des heißisostatischen Pressens durch die chemische Reaktion zwischen an der Oberfläche der Pulverpartikel adsorbierten O- und C-Elementen und den Bestandteilen des Pulvers entsteht [10]. Diese schwache Grenzfläche behindert die Diffusion und Verbindung zwischen den Metallpartikeln, wird zur Bruchquelle und zum Rissausbreitungskanal der Legierung und verringert deren Duktilität und Ermüdungslebensdauer. Die Hauptursache für PPB ist der O- und C-Gehalt an der Pulveroberfläche. Die Verringerung des C-Gehalts, die Zugabe stark karbidbildender Elemente wie Nb und Hf sowie die Vakuumentgasung des Pulvers sind die wichtigsten Methoden zur Beseitigung von PPB. PPB kann auch durch Wärmebehandlung, die Optimierung des heißisostatischen Pressprozesses und andere Maßnahmen beseitigt werden.

TIP ist eine diskontinuierliche Pore, die durch die Ausdehnung von Argongas entsteht, das während des heißisostatischen Pressens unlöslich in der Legierung ist. Sie führt zu Verformungen des Werkstücks und verringert Zugfestigkeit, Zeitstandfestigkeit, Kriechbeständigkeit und andere Eigenschaften der Legierung erheblich. Das Restargon in pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen stammt hauptsächlich aus dem Hohlpulver, das während der Zerstäubung durch von den Tropfen eingeschlossenes Argongas entsteht. Darüber hinaus können auch nicht vollständig entferntes, an der Pulveroberfläche adsorbiertes Argon oder eine unzureichende Dichtheit der Verpackung TIP verursachen.

Zusammenfassend stehen die drei wichtigsten Fehler pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen in direktem Zusammenhang mit der Qualität der Legierungspulver. Die Herstellung hochwertiger Hochtemperaturlegierungspulver ohne Einschlüsse und Hohlpulver sowie mit niedrigem Gasgehalt ist der Schlüssel zur Entwicklung und Anwendung pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen.

1. Übliche Herstellungsverfahren für Hochtemperaturmetallpulver

Zur Herstellung von Metallpulvern gibt es zahlreiche Verfahren, darunter Zerkleinern von Feststoffen, Kugelmahlen, Zerstäubung, Elektrolyse und chemische Verfahren. Für die additive Fertigung werden sphärische Pulver benötigt, und die Zerstäubung gilt als das idealste Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern für die additive Fertigung. Außerdem wird das Verfahren mit rotierender Elektrode zunehmend bei der Herstellung von Pulverwerkstoffen für die additive Fertigung eingesetzt.

Der grundlegende Prozessablauf zur Herstellung sphärischer Pulver aus nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen lautet wie folgt: Schmelzen und Verarbeitung der Vorlegierung → Pulverherstellung → Pulversiebung → (elektrostatische Trennung und Entfernung von Verunreinigungen) → Prüfung der Pulvereigenschaften. Dabei sind das Schmelzen der Vorlegierung, die Zerstäubung zur Pulverherstellung sowie die elektrostatische Trennung und Entfernung von Verunreinigungen die entscheidenden Schritte zur Gewinnung hochwertiger Pulver.
2.1 Schmelztechnik für Vorlegierungen
Die Schmelztechnik für Vorlegierungen von Hochtemperaturlegierungen spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung hochwertiger sphärischer Pulver. Verunreinigungen sowie der Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt der Rohstoffe beeinflussen die Pulverqualität unmittelbar. Zum Schmelzen von Vorlegierungen für Hochtemperaturlegierungen wird üblicherweise die Vakuuminduktionsschmelztechnik eingesetzt, die wesentliche Vorteile bei der präzisen Kontrolle der Legierungszusammensetzung und der Entfernung von Gasverunreinigungen und schädlichen Elementen aus der Legierung bietet. Aufgrund der Verwendung keramischer Tiegel werden jedoch zwangsläufig keramische Einschlüsse und Schlackeneinschlüsse in die Vorlegierung eingebracht. Außerdem entstehen während der Erstarrung der Vorlegierung Fehler wie Lunker, Lockerungen und Seigerungen.

Die genannten Fehler können im anschließenden Induktionsschmelz- und Gießprozess bei der Herstellung von Gussrohlingen aus Hochtemperaturlegierungen beseitigt werden, wirken sich jedoch stärker auf die Herstellung von Hochtemperaturlegierungspulvern aus. Die Einschlüsse in der Vorlegierung können während der Pulverherstellung nicht entfernt werden, und Fehler wie Lunker und Lockerungen führen zudem zur Oxidation von Hohlpulver und der Pulveroberfläche. Daher müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um Einschlüsse und Fehler in der durch Vakuuminduktionsschmelzen hergestellten Vorlegierung zu beseitigen. In der Industrie zur Herstellung hochreiner gegossener und geschmiedeter Hochtemperaturlegierungen wird im Allgemeinen ein Zwei- oder Dreifachprozess eingesetzt, nämlich Vakuuminduktionsschmelzen + Elektroschlacke-Umschmelzen/Vakuumlichtbogen-Umschmelzen. Beim Vakuuminduktionsschmelzen werden Verbrauchselektroden mit geeigneter chemischer Zusammensetzung hergestellt. Das Elektroschlacke-Umschmelzen entfernt spröde Oxideinschlüsse und erzielt dadurch eine höhere Reinheit. Schließlich wird durch Vakuumlichtbogen-Umschmelzen ein Rohling ohne Makroseigerung und mit gleichmäßigem Gefüge hergestellt. Das Elektroschlacke-Umschmelzen ist eines der wirksamsten Raffinationsverfahren zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Legierungen. Es kann großformatige Fremdeinschlüsse wirksam entfernen sowie endogene Einschlüsse dispergieren und verfeinern. Es ist das bevorzugte Verfahren zur Sekundärraffination von Vorlegierungen pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen.

Russland begann in den 1990er-Jahren mit dem umfassenden Einsatz des Verfahrens Vakuuminduktionsschmelzen + Elektroschlacke-Umschmelzen zur Herstellung von Vorlegierungsgussblöcken für pulverförmige Hochtemperaturlegierungen. Im Jahr 2002 entwarf und errichtete das Central Iron and Steel Research Institute den weltweit ersten Elektroschlackeofen mit ultrakleinem Querschnitt (50 mm) und schnellem Umschmelzen unter Vakuum-/Inertgasschutz und stellte 2004 erfolgreich Elektroschlacke-Gussblöcke aus Hochtemperaturlegierungen her. Untersuchungen haben gezeigt, dass die durch das Elektroschlacke-Umschmelzen unter Inertgasschutz hergestellte FGH95-Vorlegierung einen niedrigeren O-Gehalt, geringere Al- und Ti-Abbrände sowie eine deutlich verringerte Größe und Anzahl nichtmetallischer Einschlüsse aufweist.

Auch die Filtrationstechnik mit keramischen Schaumfiltern ist ein wirksames Verfahren zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Hochtemperaturlegierungen. Bei dieser Technik wird hauptsächlich ein dreidimensionaler, durchgehend netzförmiger keramischer Schaumfilter verwendet, der aus einem dichten keramischen Strebengefüge besteht und die Metallschmelze filtert. Dadurch können Einschlusspartikel, flüssige Flussmitteleinschlüsse und einige schädliche Metallelemente aus der Legierungsschmelze herausgefiltert werden. Die University of Science and Technology Beijing, das Yingkou Magnesium Materials Research Institute, die Northeastern University, das Institute of Metals der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und andere Forschungseinrichtungen haben Filter auf Aluminiumbasis zur Filtration und Reinigung von Hochtemperaturlegierungen eingesetzt und können Einschlüsse in Hochtemperaturlegierungen wirksam entfernen.

Darüber hinaus zeigen das in Japan entwickelte Verfahren des rotierenden Gießens von Gussblöcken, die am Beijing Institute of Aeronautical Materials entwickelte Technologie zur Herstellung hochwertiger Hochtemperaturlegierungs-Gussblöcke (BIAM-Hochqualitätsverfahren), die an der Northwestern Polytechnical University entwickelte Reinigungstechnologie durch elektromagnetische Weichkontaktformung und die Reinigungstechnologie mit einer Verbundschmelzsalzmischung gute Ergebnisse bei der Entfernung von Einschlüssen und der Reinigung von Legierungen. In den vergangenen Jahren haben sich neue Reinigungstechnologien wie die elektromagnetische Reinigung und die Ultraschallbehandlung rasch entwickelt und werden zu neuen Forschungsschwerpunkten auf dem Gebiet der Legierungsreinigung.

Einige der genannten Technologien zur Legierungsreinigung werden bereits umfassend bei der Reinigung von Hochtemperaturlegierungen eingesetzt, während andere weiter verbessert und entwickelt werden müssen. Die Entwicklung von Raumfahrttriebwerken erfordert von pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen höhere mechanische Eigenschaften und eine höhere Zuverlässigkeit und stellt zugleich höhere Anforderungen an die Reinheit der Vorlegierungen. Für die Herstellung von Vorlegierungen aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen ist die Erforschung und Entwicklung einer effizienten, kostengünstigen und hochreinen Schmelz- und Reinigungstechnologie für Vorlegierungsgussblöcke ohne Einschlüsse eine wichtige zukünftige Entwicklungsrichtung.

2.2 Pulverherstellung

Die Pulverherstellung ist der erste Prozess bei der Produktion pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen und zugleich einer der kritischsten Prozesse. Die Herstellung von Hochtemperaturlegierungspulvern mit kleiner und gleichmäßiger Partikelgröße, guter Sphärizität sowie niedrigem Gas- und Einschlussgehalt kann Fehler wie PPB und Einschlüsse in der Legierung verringern oder sogar beseitigen und das Gefüge und die Eigenschaften von Legierungsscheiben deutlich verbessern. Daher ist eine fortschrittliche Pulverherstellungstechnologie ein entscheidender Schritt zur Gewinnung hochwertiger Hochtemperaturlegierungspulver, zur Beseitigung metallurgischer Fehler im Inneren der Legierung und zur Sicherstellung der Qualität von Hochtemperaturlegierungsscheiben.
Forscher auf dem Gebiet pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen haben eine Vielzahl von Pulverherstellungsverfahren umfassend und eingehend untersucht. Derzeit sind die wichtigsten Verfahren zur Herstellung sphärischer Metallpulver die Gaszerstäubung nach Vakuuminduktionsschmelzen (VIGA-Verfahren), die Pulverherstellung mit dem Plasma-Verfahren mit rotierender Elektrode (PREP-Verfahren), die Gaszerstäubung nach Elektrodensschmelzen durch Induktion (EIGA-Verfahren) und die Plasmazerstäubung (PA-Verfahren).

2.2.1 Gaszerstäubung nach Vakuuminduktionsschmelzen (VIGA-Verfahren)
Bei der Gaszerstäubung nach Vakuuminduktionsschmelzen wird das Einsatzmaterial nach dem Prinzip der Spuleninduktionserwärmung in einer Vakuumumgebung geschmolzen. Nach Erreichen einer bestimmten Temperatur werden die Schmelzkammer und die Zerstäubungskammer mit Zerstäubungsgas gefüllt. Anschließend wird der Flüssigstahl in den Verteiler gegossen. Die Metallschmelze fließt durch die Düse in die Zerstäubungskammer. Dort wird Hochdruck-Inertgas als Zerstäubungsmedium eingesetzt, um den kontinuierlichen Metallflüssigkeitsstrom zu zerteilen, sodass er schnell zu feinen Partikeln erstarrt, also zu Metallpulver.

Neben Pulvern aus nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen umfassen weitere Metallpulverwerkstoffe: Edelstahl 316L, 174PH; kobaltbasierten Legierungen CoCrMo, CoCrW, CoCrMoW; Titan und Titanlegierungen TC4, TC11TA15, TiAl4822, Ti2AlNb; nickelbasierte Legierungen FGH95, FGH96, FGH97, GH4169, seltene Metalle usw. 2.2.2 Pulverherstellungstechnologie mit rotierender Plasmaelektrode (PREP-Verfahren) Die Pulverherstellungstechnologie mit rotierender Plasmaelektrode wird zur Herstellung von Metallpulvern aus hochreaktiven Metallen sowie hitzebeständigen Nickel- und Titanlegierungen eingesetzt. Diese Technologie basiert auf dem Prinzip der Zentrifugalzerstäubung. In einer Inertgasumgebung erzeugen der Plasmagenerator und die Elektrode einen Lichtbogen. Die Temperatur des Lichtbogens kann den schnell rotierenden Stab rasch schmelzen. Das geschmolzene Metall wird durch die Oberflächenspannung zentrifugal zerstäubt. Die kleinen Tropfen der zentrifugal zerstäubten Flüssigkeit erstarren in der Spritzkammer schnell zu Partikeln, die sich schließlich ablagern und in den Pulversammelbehälter fallen.

Das durch die Pulverherstellungstechnologie mit rotierender Plasmaelektrode erzeugte Pulver bietet die Vorteile einer guten Sphärizität, einer konzentrierten Partikelgrößenverteilung, einer hohen Oberflächenqualität, eines niedrigen Gasgehalts und einer hohen Reinheit.

Derzeit ist Russlands Anlagenbau für die Pulverherstellung mit rotierender Plasmaelektrode weltweit führend. Abbildung 5 zeigt die Anlage Granule 2000 zur Pulverherstellung mit rotierender Plasmaelektrode aus Russland. Ihr statisches Vakuumsystem, dynamisches Vakuumsystem, Plasmagenerator, Stabdreh- und -zuführsystem, Kabinendesign, Gasversorgungssystem usw. sind dem Design inländischer PREP-Anlagen überlegen. Die Drehzahl der Anlage Granule 2000 kann 20000~25000 U/min erreichen.

2.2.3 Plasmazerstäubungsverfahren (PA-Verfahren)
Das Plasmazerstäubungsverfahren (PA-Verfahren) dient der Herstellung sphärischer Pulver durch die Zerstäubung von Metalltropfen mit einer Plasmakanone. Dieses Verfahren wurde erstmals von M.EntezaRian und anderen vorgeschlagen und 1998 zum Patent angemeldet. Heute ist das kanadische Unternehmen AP&C weltweit führend in der Plasmazerstäubungstechnologie. Das Unternehmen besitzt die vollständigen technischen Patente für diese Anlage. Die Plasmazerstäubung ist im Wesentlichen eine Technologie zur Pulverherstellung durch Gaszerstäubung. Das Prinzip lautet: Unter Inertgasschutz erhitzt eine Plasmakanone den Legierungsdraht, schmilzt ihn und verdampft ihn zu Metalldampf. Anschließend wird der gesättigte Metalldampf durch eine Gasabschreckungs-Kühltechnologie schnell aggregiert, keimbildend umgewandelt und zum Wachstum gebracht, wodurch ultrafeines Legierungspulver entsteht[26]. Die durch Plasmazerstäubung hergestellte Partikelgrößenverteilung des Legierungspulvers ist relativ eng und reicht von 10 bis 150 μm. Pulver unter 50 μm machen etwa 40% aus, und die Ausbeute an Feinpulver ist äußerst hoch. Darüber hinaus weist das nach dem PA-Verfahren hergestellte Pulver eine hohe Sphärizität und einen niedrigen Verunreinigungsgehalt auf. Der Hauptnachteil des PA-Verfahrens besteht darin, dass der Rohstoff ein dünnerer Draht ist. Die Herstellungskosten des Drahtrohstoffs sind höher als die eines Vorlegierungsstabs, während die Pulverherstellungseffizienz gering ist.

Derzeit sind die Plasmazerstäubungsanlagen des kanadischen Unternehmens AP&C mit einem vollautomatischen Überwachungssystem und einer Gasrückgewinnungsvorrichtung ausgestattet, um die Stabilität der Pulverqualität zu gewährleisten und durch Gasrückgewinnung die Produktionskosten zu senken. Diese Technologie wird zur großtechnischen Herstellung hochwertiger sphärischer Metallpulver eingesetzt. Zu den Pulverarten gehören Reintitan und Titanlegierungen, nickelbasierte Legierungen usw.

2.2.4 Gaszerstäubung nach Elektrodenschmelzen durch Induktion (EIGA) Die Gaszerstäubung nach Elektrodenschmelzen durch Induktion (EIGA) ist eine hochreine Technologie zur Pulverherstellung durch Gaszerstäubung, bei der keine keramischen Tiegel verwendet werden. Sie zeichnet sich durch eine hohe Produktionseffizienz bei der Gaszerstäubung, eine große Ausbringungsmenge und eine feine Pulverpartikelgröße aus. Das Prinzip der Pulverherstellung durch EIGA-Zerstäubung lautet wie folgt: Unter Inertgasschutz wird der Vorlegierungsstab in der Zuführvorrichtung befestigt und tritt mit einer bestimmten Drehzahl und Absenkgeschwindigkeit in die darunterliegende konische Spule ein [12]. Die Spitze des Stabs wird durch die konische Ultrahochfrequenz-Induktionsspule allmählich geschmolzen, wodurch ein Legierungsflüssigkeitsstrom mit kontinuierlich steuerbarem Durchmesser entsteht. Unter der Einwirkung der Schwerkraft fließt oder tropft die Schmelze direkt in die darunterliegende Zerstäubungskammer. Unter der Einwirkung von Hochdruck-Inertgas wird der Flüssigkeitsstrom der Legierung in kleine Tropfen zerteilt. Unter der Wirkung ihrer eigenen Oberflächenspannung werden die kleinen Tropfen in der Zerstäubungskammer schnell sphärisch und erstarren zu Metallpulver. Bei der EIGA-Pulverherstellung werden im gesamten Schmelzprozess der Vorlegierung keine feuerfesten Materialien wie Tiegel und Führungsdüsen verwendet, wodurch der Eintrag nichtmetallischer Verunreinigungen verringert wird. Im Vergleich zum nach dem VIGA-Verfahren hergestellten Pulver weist EIGA-Pulver eine kleinere Partikelgröße auf und enthält keine große Anzahl von Plättchen. Die Pulverpartikelgröße Dv(50) kann auf etwa 50~100 μm eingestellt werden, bei hoher Produktionseffizienz.

Durch die Optimierung des Prozessablaufs der Gaszerstäubung nach Elektrodenschmelzen durch Induktion hat das deutsche Unternehmen ALD verschiedene Anlagenöfen zur Pulverherstellung durch Elektrodenschmelzen durch Induktion für die Forschung und Produktion von Titan- und Titanlegierungspulvern entwickelt. Diese Anlagen wurden weltweit eingeführt. Die durch das Verfahren der Gaszerstäubung nach Elektrodenschmelzen durch Induktion vom japanischen Unternehmen OSAKA Titanium hergestellten Ti6Al4V-Pulver weisen eine mittlere Partikelgröße Dv(50) von etwa 40 μm, eine hohe Sphärizität, wenige Satellitenpartikel und wenige nichtmetallische Einschlüsse auf und werden im Bereich der additiven Fertigung eingesetzt.

2.3 Elektrostatische Trenntechnik Die elektrostatische Trenntechnik ist eine Schlüsseltechnologie zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus Pulvern. Ihr Prinzip besteht darin, Pulverpartikel durch Koronaentladung aufzuladen und anschließend Metallpulver und nichtmetallische Einschlüsse anhand des Unterschieds ihrer elektrischen Eigenschaften zu trennen.

Die elektrostatische Trennvorrichtung besteht aus zwei Elektroden: einem dünnen Metalldraht als negativer Elektrode und einer geerdeten Metallwalze mit großem Durchmesser, die sich mit einer bestimmten Drehzahl als positive Elektrode dreht. Wenn die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden einen bestimmten Wert erreicht, tritt zwischen ihnen eine Koronaentladung auf. Nachdem das Metallpulver mit nichtmetallischen Einschlüssen durch die Zuführvorrichtung in das auf der Walzenoberfläche gebildete Koronaelektrizitätsfeld fällt, trifft es auf die zur positiven Elektrode fliegenden Elektronen und negativen Ionen und nimmt dadurch eine negative Ladung an. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Metallpulvers wird die aufgenommene negative Ladung nach dem Kontakt mit der Walze schnell abgegeben, und das Pulver fällt unter der Wirkung von Schwerkraft und Zentrifugalkraft von der Vorderseite der Walze in den Sammelbereich für Fertigpulver. Nichtmetallische Einschlüsse geben aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit Ladung dagegen nur schwer ab. Sie werden durch die Coulombkraft und elektrostatische Adsorption an der Walze adsorbiert und beim Drehen der Walze nach hinten von der Walzenbürste abgestreift.

2.4 Pulversiebung Neben dem Zerstäubungsprozess ist ein weiterer wichtiger Prozess zur Bestimmung der Pulvereigenschaften die Nachbehandlung der Metallpulverrohstoffe. Dazu gehören die oxidative Passivierung der Pulverpartikel, die Klassierung (d. h. Siebung oder Luftklassierung) und das Mischen zur Erzeugung einer einheitlichen Pulvercharge. Durch die Pulversiebung wird Pulver der erforderlichen Partikelgröße gewonnen und ein Teil der Verunreinigungen anhand des Größenunterschieds zwischen dem benötigten Pulver und den Verunreinigungen entfernt. Die Siebmaschine arbeitet im Vakuum oder unter Inertgasschutz, um eine Oxidation des Pulvers während des Siebvorgangs zu verhindern. Die wichtigsten Parameter des Siebvorgangs sind die Schwingungsamplitude und die Schwingungsfrequenz des Rüttelsiebs. Im Allgemeinen sollte das Rohpulver des VIGA-Verfahrens zunächst mit einem Sieb der Maschenweite 100 mesh vorgesiebt werden, um zu verhindern, dass während des Zerstäubungsprozesses entstandene große unregelmäßige Objekte das Sieb beschädigen oder verstopfen.

Darüber hinaus gibt es verschiedene Technologien zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Pulvers nach der Passivierung. Derzeit existieren mehrere Verfahren zur Quantifizierung der rheologischen Eigenschaften von Pulvern (Fließfähigkeit und Verteilbarkeit), doch der Zusammenhang zwischen ihnen ist noch nicht vollständig bestimmt. Abgesehen vom einfachsten Trichterfließverfahren (ASTM B213/ISO 4490/ASTM B964) werden keine anderen Verfahren umfassend eingesetzt. In der AM-Gemeinschaft besteht ein mangelndes Verständnis dafür, welcher Fließwert für eine bestimmte Metalllegierung akzeptabel ist. Daher sind weitere quantitative Untersuchungen zur Pulverfließfähigkeit für die additive Fertigung erforderlich.

3 Wiederverwendbarkeit von Pulvern


Industriezweige, allen voran die Luft- und Raumfahrt sowie die Orthopädie, setzen AM-Metallpulver zunehmend ein. Da AM-Metallpulver insbesondere bei Hochleistungsanwendungen zu den wichtigsten Kostentreibern gehören, besteht großes Interesse an ihrer Wiederverwendung. Da nur ein kleiner Teil des Pulvers schmilzt und mit dem Bauteil verschmilzt, kann das verbleibende Pulver mehrfach verwendet werden, bis es für eine bestimmte Anwendung nicht mehr geeignet ist.



Die Nickellegierung 718 mit ihren ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften sowie ihrer Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit wurde erstmals in den 1960er-Jahren eingeführt, um die Nachteile der schlechten Schweißbarkeit von Superlegierungen zu überwinden. Deng et al. verwendeten 100 kg Nickellegierung 718 (PSD 45-106 μm) sechsmal wieder, um auf einer Pulverbettfusion-Anlage (E-PBF) Bauteile herzustellen. Das Pulver wurde durch ein Verfahren zur Gaszerstäubung unter Inertgas nach Elektrodenschmelzen durch Induktion (EIGA) hergestellt und während der Wiederverwendung nicht mit ursprünglichem Pulver ergänzt. Im Vergleich zum ursprünglichen Pulver veränderte sich die Elementzusammensetzung des recycelten Pulvers nicht wesentlich; lediglich der Sauerstoffgehalt stieg von 0.014 Gew.-% auf 0.022 Gew.-%. Nach dem sechsten Bauvorgang hatte sich die chemische Zusammensetzung der an verschiedenen Stellen gesammelten Pulverpartikel nicht verändert, und die Elementzusammensetzung entsprach weiterhin den spezifischen Anforderungen der Legierung. Die Fließfähigkeit und die PSD-Daten veränderten sich nach dem Wiederverwendungszyklus nicht wesentlich. Die PSD-Daten nach dem sechsten Bauzyklus zeigten jedoch eine leichte Zunahme des mittleren Partikeldurchmessers. Dies zeigt, dass Nickellegierung-718-Pulver unter einem Elektronenstrahl stabil ist und viele Male wiederverwendet werden kann, ohne dass sich Pulvergröße und chemische Zusammensetzung wesentlich verändern.

Nach den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten ist die Bildung von Al2O3 in der Nickellegierung 718 günstiger als die Bildung anderer Oxide. Während des E-PBF-Prozesses scheint die Oxidation von Al, Ti, Fe oder Cr unvermeidbar zu sein, doch sehr niedrige Sauerstoffkonzentrationen können die Bildung solcher Oxide auf der Pulveroberfläche hemmen. Der Grund dafür ist, dass der Gleichgewichtsteildruck von Sauerstoff am Schmelzpunkt dieser Elemente unter 10-7~10-9 mbar liegen muss, um diese Oxidationen zu vermeiden. Andererseits führen die hohen Produktionstemperaturen in E-PBE-Anlagen zu einer hohen Diffusionsrate von Sauerstoff. Daher besteht eine treibende Kraft für das Auftreten der Reaktion. Nach L-PBF- und E-PBF-Prozessen wurde die Bildung von Cr2O3 und Al2O3 auf der Pulveroberfläche beobachtet. Obwohl Cr2O3 eine geringere Sauerstoffaffinität als Al2O3 besitzt, ist seine Bildung kinetisch begünstigt, insbesondere aufgrund seines hohen Anteils in der Nickellegierung 718. Bei wiederholten Verwendungszyklen ist zu erwarten, dass sich die vorhandenen Oxide bei hohen Temperaturen im AM-Prozess allmählich in das stabilste Oxid, also Al2O3, zersetzen.

4 Fazit
Mein Land hat umfangreiche wissenschaftliche Forschungs- und technologische Entwicklungsarbeiten zur Erforschung und Herstellung pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen sowie zu verschiedenen Schlüsseltechnologien durchgeführt, insbesondere zu den Schlüsseltechnologien der Herstellung von Hochtemperaturlegierungspulvern, und dabei Durchbrüche erzielt. Dadurch wurden Gefüge und Eigenschaften wichtiger Bauteile aus pulverförmigen Hochtemperaturlegierungen meines Landes sichergestellt und herausragende Beiträge zur Eigenständigkeit der Flugtriebwerksproduktion geleistet. Mit dem Ziel, die drei wichtigsten Fehler pulverförmiger Hochtemperaturlegierungen zu beseitigen und die Gesamtleistung pulvergeformter Bauteile zu verbessern, müssen sich Hochtemperaturlegierungspulver künftig in Richtung hochreiner Feinpulver entwickeln.