1Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Vorlesung:
Herstellung von Hochtemperaturbauteilen durch Metal Injection Molding
Benedikt Albert
02.12.09
2Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Gliederung
• Grundlagen: Metal Injection Molding• Relevante Sinterparameter / Bestimmung der Sinterparameter
– Dilatometer– DSC/TG
• Untersuchte Materialien• Verwendete Proben• Sintern in Argon / in Vakuum
• Inconel 625• Inconel 713• Hastelloy X • MAR-M-247• Haynes 214
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Metal Injection Molding (MIM)
Metal Injection Molding Metallischer SpritzgussProzessschritte vergleichbar mit Spritzgießen von Kunststoffen
Quelle: Schunk Sintermetalltechnik
Beispiele für Bauteile, welche mittels MIM hergestellt werden
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MIM Prozessschritte
Quelle: Schunk Sintermetalltechnik
5Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Pulverherstellung
• Herstellung von Pulver des reinen Metalls
z.B. durch Verdüsen unter verschiedenen Atmosphären• Vakuum• Druckluft- oder Druckwasser• Inertgas, z.B. Argon
z.B. durch Elektrolysez.B. Reduktion im Nassen oder Trockenen
• Herstellung von Legierungen• Mahlen und Mischen • mechanisches Legieren• chemisches Legieren• Granulieren
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Herstellung des Feedstocks
Mischen von Pulvern und Binder• Mischen in Doppelschneckenextruder Feedstock• Homogenisieren• Pelletieren der Mischung
Richtige Mischung von Binder und Pulver ist wichtig
/Ger97/
Durch Verhältnis Pulver/Binder wird die Schwindung gesteuert
7Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Spritzen der Teile
• Granulat/Pellets werden in Spritzgussmaschine gegeben
• Maschine ist beheizt, so dass Binder flüssig ist.
• Dadurch wird fließfähige Masse erzielt
• Spritzen in Werkzeug, Negativformen werden gefüllt
• In Werkzeug kühlt das Grünteil ab und nimmt so die später gewünschte Form an
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Entbindern
Verschiedene Methoden des Entbinderns• thermisch• chemisch
Binder besteht aus drei Komponenten:• Oberflächenaktive Substanz• Backbone-Komponente (Polymer o.ä.)• Füllstoff
Backbone-Komponente verbleibt in Bauteil bis zum Sintervorgang
Braunling ist damit weiter gut zu handhaben
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Sintern
Kritischer Prozessschritt: Spätere Eigenschaften werden eingestellt
Sintern: • Wärmebehandlungsverfahren unterhalb der Schmelztemperatur, bei dem der Körper
ausreichend verdichtet wird.
• Das disperse System wird durch das Verdichten in einen stabileren Zustand überführt. Die Triebkraft des ablaufenden Vorgangs ist Differenz der freien Energie zwischen Ausgangs- sowie Endzustand.
• Elimination von Poren und Schwindung durch Diffusionsprozesse
• Materialtransport über Gas- Flüssigphase sowie Festkörper
10Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Sintern
Drei Stadien des Sintervorgangs:
• Anfangsstadium:Erste Kontaktstellen, Halsbildung
• Zwischenstadium:Halswachstum, Elimination von Poren, Verdichtung
• Endstadium:Übergang zu geschlossener Porosität, Kornwachstum, Porenschrumpfung
20 µm
10 µm
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Sintern
Sintern in verschiedenen Varianten möglich:
• Festkörpersintern
Probe/Bauteil weist bei Sintertemperatur eine oder mehrere feste Phasen auf Schwindung und Verdichten läuft über Diffusion im Festkörper ab
• Flüssigphasensintern
Sintern mit Anwesenheit einer FlüssigphaseFlüssigphase dient als Medium für Stofftransport. Sintergeschwindigkeit kann so erhöht werden.Vor allem bei hochlegierten Stoffsystemen wird diese Variante verwendet
12Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Sintern
Sintern von Nickel-Basis Superlegierungen
• Sintern von hochlegierten Systemen mit vielen enthaltenen Elementen
• Sinterfortschritt oft sehr schwierig zu erreichen
• Sintern mit Flüssigphase, oftmals oberhalb der Solidustemperatur
• SLPS (Supersolidus Liquid Phase Sintering)
• Sehr schmale Temperaturintervalle, in denen Sintervorgang abläuft
• Schlagartiger Übergang hin zu guter Verdichtung
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Relevante Sinterparameter
• SintertemperaturBei Nickelbasislegierungen in der Regel wenig VergleichsliteraturSintern nahe am Schmelzpunkt
• SinteratmosphäreVakuumSchutzgas (Argon, Stickstoff)
• AufheizrateSchneller/langsamerZwischenhalt
• HaltezeitLange genug, dass Sintervorgang komplett abläuft, nicht zu lange, so dass unerwünschtes Kornwachstum verhindert wird
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Bestimmung der Parameter
Bestimmung der Sintertemperatur
• DSC (Differential Scanning Calorymetry)Aufheizen der Probe unter Schutzgas oder Vakuum über Schmelzpunkt hinausIm Schmelzintervall wird durch Wärmereaktion ein Peak detektiert, womit der Temperaturbereich festgelegt werden kann
• DilatometerAufheizen der Probe bis Sintertemperatur. Längenänderung wird aufgezeichnet und mit Kalibrierprobe verglichenSinterintervall kann bestimmt werden
15Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Dilatometer
• Stabförmige Proben für Dilatometerversuche
• Kalibrierprobe aus Al2O3
• Versuche unter Schutzgasatmosphäre
• Definierte Aufheizrate und Haltezeit
• Aufzeichnen der Nullkurve
• Aufzeichnen der Dilatometerkurve der Probe
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DSC- und TG-Messung
Differential Scanning Calorymetry (DSC)• Wärmestrom der Probe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit wird erfasst• Zum Vergleich wird leerer Tiegel ohne Probenmaterial auch gemessen• Enthalpieänderung wird gemessen, so dass auf endotherme/exotherme Vorgänge
wie Phasenänderungen geschlossen werden kann• Wenn Wärmekapazität nicht genau bestimmt werden kann, ist dennoch eine
qualitative Messung möglich
Thermogravimetrie (TG)• Mit einer simultanen Thermowaage kann neben der DSC-Messung eine TG-
Messung durchgeführt werden• Die Änderung der Masse über dem eingestellten Messprogramm wird dabei mittels
einer justierten Waage erfasst und gemessen• Auch hier erfolgt Vergleich mit aufgenommener Nullkurve• Mögliche detektierbare Reaktionen sind z.B. Abdampfen von Bestandteilen,
Glühverlust, Reaktion mit der Atmosphäre
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Untersuchte Materialien
Verschiedene Nickelbasis-Superlegierungen• Inconel 625
Ni-22Cr-9Mo-5Fe-3,5Nb-1Co-0,5Mn-0,5Si-0,4Al-0,4Ti-0,1C
• Inconel 713Ni-12Cr-6Al-4,5Mo-3Nb-1Fe-0,75Ti-0,12C
• MAR-M-247Ni-10Co-10W-8,25Cr-5,5Al-3Ta-1Ti-0,7Mo-0,15C-0,05Zr-0,008B
• Hastelloy XNi-22Cr-18Fe-9Mo-1,5Co-0,6W-0,1C-1Mn-1Si-0,008B
• Haynes 214Ni-16Cr-4,5Al-3Fe-0,5Mn-0,2Si-0,1Ti-0,05C-0,01Y-0,01B
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Verwendete Proben
• Reines Pulver der zu untersuchenden Legierung
• Zugstäbe mit genormten Abmaßen, entbindert
Quelle: EPMA
19Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Sintern unter Ar-Atmosphäre
Sintern in Kaltwandofen mit Graphitheizern• Proben werden auf Keramikplatte in beschichteten Graphittiegel gegeben• Leerer Graphittiegel wird untergestellt
Inconel 625 auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern
Hastelloy X auf Al2O3-Platte in Graphittiegel nach dem Sintern
Abbildungen der Proben nach dem Sintern
20Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Sintern in Vakuum
Sintern in Kaltwandofen mit Wolfram-Heizer unter Vakuum (10-5 mbar)
Vakuumkaltwandofen (am NMB)
Außenansicht
Vakuumkaltwandofen Innenansicht
Probenteller mit Probe auf Unterlage
21Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Untersuchungen an zwei Pulvern gleichen Typs(INC-S und INC-E im folgenden)
• Unterschiedliche Hersteller• Unterschiedliche Partikelgrößen• Verschiedene Sinteratmosphären• Verschiedene Sintertemperaturen
Partikelgröße der Pulver:
10,517,7D 50 [μm]
INC-SINC-EPulverREM-Aufnahme von INC-E
22Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Untersuchungen am Pulver: TG- und DSC-Messungen
Kontrolle des Schmelzintervalls
Überprüfung, ob bei niedrigeren Temperaturen bereits Umwandlungen ablaufen, die mit einer Wärmereaktion verbunden sind
Vergleich der Massenänderung im relevanten Temperaturbereich in verschiedenen Atmosphären
In Argon keine signifikante Änderung erkennbar
In N2 klarer Peak zu erkennen Nitrierung
23Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Sinterversuche: Dilatometer
• Unterschiede im Sinterfortschritt
• Dadurch auch unterschiedliche Porosität
• Atmosphäre bestimmt Eigenschaften
• Bei richtiger Atmosphäre läuft Sintern
schnell und vollständig ab
• Optimale Atmosphäre kann auch für
ähnliche Werkstoffe verschieden sein
24Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Zugversuche an in N2 gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur
Erzielte mechanische Kennwerte:Rp0,2: -Rm: 264 ±7 MPaE-Modul: 131 ±7 GPaBruchdehnung: 0,24 ±0,02%
Mechanische Kennwerte sind sehr niedrig. Aufgrund der hohen Porosität von über 25%versagen die Proben sehr früh.Es wird keine Rp0,2-Dehngrenze erreicht
Falsche Sinteratmosphäre. Sintern in N2 nicht erfolgreich
25Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Zugversuche an in Ar gesinterten Zugstäben bei Raumtemperatur
Erzielte mechanische Kennwerte:Rp0,2: 452 ±4 MPaRm: 854 ±11 MPaE-Modul: 241 ±33 GPaBruchdehnung: 10,2 ±0,6%
60-30 %Bruchdehnung
210 GPaE-Modul
820-1030 MPaRm
410-650 MPaRp0,2
Zum Vergleich: Kennwerte von Inconel 625 laut Datenblatt
Zugfestigkeit, Dehngrenze und E-Modul erfüllen die Anforderungen von konventionell hergestellten Legierungen
26Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Porositäten: Gemessene Porositäten nach 1 h Haltezeit bei der angegebenen Sintertemperatur
Aufheizrate jeweils 10 K/min
Erzielte Porosität von 2 bis 3% ist gut genug, dass der Werkstoff weiter verwendet werden kann.
Pulver INC-S ist feiner und somit sinteraktiver
20 µm
27Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 625
Übersicht über erzielte Ergebnisse bei verschiedenen Sinterbedingungen
Für in N2 gesinterte Proben: 2*HV10/15 ≈ Rm [MPa]Für in Ar gesinterte Proben: 3*HV10/15 ≈ Rm [MPa]Für alle Proben: HV10/15 ≈ E-Modul [GPa]
Ermittelte Zusammenhänge:
28Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 713
TG- und DSC-Messung: Je 2x, für Kontrolle der Reproduzierbarkeit
Schmelzintervall liegt bei etwas höheren Temperaturen als in Datenblatt angegeben. Zweite Messung bestätigt dies. Solche Effekte sind durch schnelle Aufheizung möglich
Massenänderung ergibt Peak mit Scheitelpunkt bei Beginn des Schmelzintervalls
Leichte Gewichtszunahme bei höheren Temperaturen bis zum Schmelzen
29Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 713
SinterversucheSinterparameter: Aufheizrate: 20 K/min
Haltezeit: 1 hAtmosphäre Argon
Schrittweise Optimierung der PorositätGefüge wird besser mit steigender SintertemperaturBeste erreichte Werte der Porosität 3-5%
30Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Inconel 713
Gefügebilder der Proben
20 µm 20 µm
• Kaum Poren• Allerdings Partikel noch sichtbar
• keine Rekristallisation
20 µm
• Hohe Porosität• Einzelne Partikel noch klarzu erkennen
• Zwischenstadium
Nach 1240°C Nach 1260°C Nach 1280°C
• Porosität geringer• Verdichtung weiter fort-geschritten
• Partikel lagern sich um
31Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Hastelloy X
Dilatometermessung: 1280°C
50 µm
Dilatometerkurve Gefüge der Probe
Sintervorgang ist abgeschlossen, Schwindung erreicht Plateau, Probe verkürzt sich nicht weiter
Porosität im Gefüge 6,0%KornwachstumPoren haben große Abmessung
32Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Hastelloy X
Sintern in Ar-Atmosphäre
Erreichte Temperatur 1278°C
100 µm
Einzelne Körner, umgeben von FlüssigphaseWenige Poren, sowohl an Korngrenzen als auch im Korninneren
Korngrößenbestimmung
50 µm
Körner deutlich kleiner als bei Dilatometerversuch, aber Zwischenräume zwischen den einzelnen Körnern größer
33Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Hastelloy X
Sintern in Ar-Atmosphäre
Erreichte Temperatur 1274°C
100 µm
Weniger Flüssigphase, Mikrostruktur nicht klar auszumachen, keine Korngrenzen erkennbar
3,2%Hastelloy X, 1274°C, Ar
3,1%Hastelloy X, 1278°C, Ar
Gemessene PorositätProbe
Keine Unterschiede in der Porosität, Verdichtung vergleichbar, Ausbildung des Gefüges unterschiedlich
34Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Hastelloy X
Zugversuche an den in Argon gesinterten Proben
0,95 ± 0,330,35 ± 0,09Bruchdehnung [%]
248,3±106,0208,4 ± 89,8E-Modul [GPa]
299,6 ± 7,2246,4 ± 82,5Dehngrenze [MPa]
390,2 ± 38,2288,4 ± 37,8Bruchfestigkeit [MPa]
HX_BHX_A
Erreichte mechanische Kennwerte der Proben
Mechanische Kennwerte sind bislang sehr niedrig
Deutlicher Optimierungsbedarf bei allen Werten
Proben nach etwas geringerer Sintertemperatur weisen bessere Werte auf. Flüssigphase ist der Festigkeit abträglich
•
•
•
35Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Hastelloy X
Sintern in Vakuum• 1250°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate• 1260°C, 1 h Haltezeit, 10 K/min Aufheizrate
20 µm 20 µm
Nach 1260°C Nach 1250°C
Körner gut auszumachen, klare Mikrostruktur Korngrenzen nicht sichtbar
Porosität in beiden Fällen vergleichbar (8%)
Proben weisen Verzug auf, daher keine Zugprüfung möglich
36Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
MAR-M-247
Dilatometermessungen
• Messung bei verschiedenen Temperaturen• Abrupter Übergang von sehr schlechtem zu
gutem Sinterverhalten• Sehr enges Temperaturintervall• Temperaturverteilung im Ofen muss bekannt sein
37Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
MAR-M-247
Gefüge der Proben nach verschiedenen Sintertemperaturen
20 µm20 µm20 µmnach 1320°C nach 1330°C nach 1340°C
Sintervorgang nicht abgeschlossen, Porosität ist sehr hochHalsbildung zwischen den Partikeln, Verdichtung ist noch sehr gering
Porosität ist sehr viel niedrigerVerdichtung weit fortgeschrittenUrsprüngliche Partikel aber noch erkennbar
38Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Haynes 214
Dilatometermessungen
Bei Temperaturerhöhung über 1310°C Auftreten von Fehlereffekten und Oxidation
Probe wird poröser, nicht dichter
Dilatometerkurve bei 1310°C, Sintervorgang nicht komplett abgeschlossen
Porosität noch zu hoch
39Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Mechanische Prüfung
Zugversuche
Mechanische Eigenschaften aufgrund der Porosität noch nicht gut genug
Kurven nicht einheitlich und somit schlecht reproduzierbar
40Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Untersuchung eines Modellbauteils
Probe aus 17-4 PH (Edelstahl)Outer Air Seal zum Einsatz in Turbinen
Bauteil minimiert den Luftspalt zwischen Schaufelspitze und Gehäuse
Für einen hohen Wirkungsgrad und zur Steigerung der Effizienz wichtig
Dichtfläche aus Waben, in die der Schaufelkranz eingefahren wird
Anstreifvorgang. Schaufel hinterlässt Spuren in der Wabe
Beispiel für Wabenstruktur nach dem Anstreifen/Smarsly/
41Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Untersuchung eines Modellbauteils
Aufnahmen mit dem Lichtmikroskop von den Waben
• Fehlstellen können erkannt werden. Spritzgussprozess muss noch optimiert werden• Ausbrechungen an der Oberfläche• Form wird nicht komplett gefüllt, dünne Stege sind problematisch
500 µm500 µm
Wabenstege
Wabenstege
42Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
CT-Untersuchung
Untersuchung der Güte des Bauteils mittels Computer-Tomographie
• Bauteil wurde ein wenig kleiner gesägt, da lediglich Querschnitt im Strahl verantwortlich für Vergrößerung
• Vorher bekannt, dass Risse im Bereich der Waben aufgetreten waren
• Risse im Fussbereich konnten erkannt werden. Teilweise große Ausdehnung
• Auch große Poren wurden gefunden. Poren befinden sich in Bereichen mit großem Querschnitt.
• Poren befinden sich alle in einer Hälfte der Probe. Anguss der Probe muss demnach auf der gegenüberliegenden Seite gewesen sein
43Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
CT- Untersuchung
Einzelbilder aus einer Perspektive:
44Universität Bayreuth Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
CT-Untersuchung
Virtuelle Fahrt durch das Bauteil
• Einzelne Aufnahmen aus einer Perspektive
• Bilder werden aufeinander gelegt
• Video von Fahrt durch das Bauteil
• Lage und Ausdehung der Fehlstellen können detektiert werden