Optispray - Sprühkompaktieren von Superlegierungen

Superlegierungen (Nickelbasiswerkstoffe) werden wegen ihrer hohen Warmfestigkeiten als Turbinenwerkstoff für Flugzeuge und Kraftwerke eingesetzt. Die Herstellungsverfahren für diese Werkstoffe sind aufwendig. Mit dem Sprühkompaktieren können Kosten eingespart werden, wenn es gelingt die Werkstoffe mit einer hohen Materialdichte (nach dem Sprühen) zu erzeugen und man gleichzeitig eine hohe Ausbeute erreicht. Die Schmelze wird auf einen vorgeheizten Substratring (ca. 1200 ░C) gesprüht, um Porositäten durch zu kalte Auftreffbedingungen zu vermeiden. Damit soll gleichzeitig die Ausbringung verbessert werden, weil die Kompaktierungsrate mit steigender Oberflächentemperatur ebenfalls verbessert wird. Die Ringform des Deposits (340 mm Innendurchmesser, 80 mm Wandstärke) entsteht, indem der Substratring rotiert und gleichzeitig der Sprühkegel mit einer Frequenz von 15 Hz hin und her bewegt wird (Abbildung 1). Die Weiterverarbeitung der Ringe durch Hippen, Schmieden oder Walzen sowie die Untersuchung der Materialeigenschaften erfolgt bei den Projektpartnern.

Der Prozess wird für die Ringform hinsichtlich hoher Materialausbeute und Materialdichte optimiert indem Parameter wie Schmelzemassenstrom, Gasmassenstrom und Zerstäubergas (Stickstoff oder Argon) variiert werden und das sprühkompaktierte Deposit anschließend untersucht wird. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächentemperatur des Deposits eine wichtige Rolle spielt (Abbildung 2). Es wurde eine deutliche Korrelation zwischen den beiden Größen festgestellt. Im Rahmen des Projektes konnte insbesondere durch die Substratvorheizung eine deutliche Reduzierung der Porosität im Vergleich mit dem bisheringen Stand der Technik erreicht werden (Abbildung 3).

Mittels der Modellbildung, Simulation und Analyse des Strahlzerfalls werden optimierte Sprayparameter abgeleitet. Die Stabilitätsanalyse liefert das Primärzerfallsmodell, das der Abschätzung der initialen Partikelgrößenverteilung für den Sekundärzerfallprozess dient.Zahlreiche numerische Berechnungen mit Hilfe des Primär- und Sekundärzerfallsmodells wurden durchgeführt und die Ergebnisse den Simulationspartnern für die Übernahme in ein integrales Prozessmodell zur Verfügung gestellt.

Bearbeitung durch IWT-Verfahrenstechnik

Förderung: EG, G4RD-CT2002-00762, Optispray

Abbildung 1: Herstellung eines Ringes aus einer Superlegierung (IN718) durch Sprühkompaktieren: während des Prozesses (links), nach der Abkühlung (rechts), maximaler Durchmesser 500 mm, abgedreht nach dem Hippen (links unten), nach dem Ringwalzen (rechts unten, Durchmesser ca. 1000 mm)

Abbildung 2: Abhängigkeit der entstehenden Porosität von der Oberflächentemperatur eines Ringes während des Sprühkompaktierens

Abbildung 3: Vergleich der Porosität eines sprühkompaktierten Ringes mit dem Stand der Technik bei Projektbeginn [WHI-96]: E.D. Whitton et al., ICSF-III, Cardiff, 1996