DE60310023T2

DE60310023T2 - Verfahren zur schmelzfreien Herstellung eines Schweissstabes

Info

Publication number: DE60310023T2
Application number: DE60310023T
Authority: DE
Inventors: Eric Allen Ott; Clifford Earl Shamblen; Andrew Philip Woodfield
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: US7727462B2; EP1433555A1; EP1433555B1; DE60310023D1; US20040118245A1

Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung eines stabförmigen Materials, das als ein Schweißstab-Zusatzwerkstoff verwendet werden kann, und insbesondere ein schmelzfreies Fertigungsverfahren zur Herstellung des Stabs.
Schweißen wird verwendet, um zwei oder mehrere Stücke eines Werkstoffs miteinander zu verbinden, um Fehler in der Oberfläche eines einzelnen Werkstücks zu reparieren und um Strukturen zu bilden. In den ersten beiden Anwendungen kann das Schweißen durch Erhitzen des Stücks (der Stücke), so dass diese miteinander verbunden werden oder der Fehler behoben wird, ohne Hinzufügung eines zusätzlichen Werkstoffs bewerkstelligt werden. Das Schweißen kann stattdessen in jedem Fall durch Schmelzen eines zusätzlichen Werkstoffs, das als Metallfüllmittel bezeichnet wird, bewerkstelligt werden, der sich anschließend verfestigt, um die Stücke zu verbinden oder die Fehlstelle in dem einzelnen Stück zu füllen oder um eine Struktur aufzubauen. Das Metallfüllmittel wird gewöhnlich in Form eines Pulvers, das in den erhitzten Bereich, der gerade geschweißt wird, eingebracht wird, oder als ein Schweißstab zugeführt, der zunehmend in die erhitzte Region eingeführt wird. Das Metallfüllmittel kann die gleiche Zusammensetzung wie das Stück oder die Stücke, das bzw. die geschweißt werden, oder eine andere Zusammensetzung aufweisen.
Es wird manchmal zwischen einem „Schweißstab", von dem angenommen wird, dass er einen größeren Durchmesser aufweist, und einem „Schweißdraht" unterschieden, von dem angenommen wird, dass er einen kleinen Durchmesser aufweist. Zur Vermeidung einer willkürlichen Unterscheidung zwischen diesen umfassen die Ausdrücke „Stab" und „Schweißstab" in dem hier verwendeten Sinne sowohl einen größeren Durchmesser als auch einen kleineren Durchmesser aufweisende Formen von Stab- und Schweißzusatzwerkstoffen und umfassen somit sowohl das, was manchmal als Schweißstab bezeichnet wird, als auch das, was manchmal als Schweißdraht bezeichnet wird.
Meist wird ein Schweißstab hergestellt, indem die metallische Legierung, die den Schweißstab bilden soll, geschmolzen, die geschmolzene Legierung zu einer gegossenen Form gegossen und anschließend die gegossene Form durch Drahtziehen zu ihrem endgültigen Durchmesser und ihrer endgültigen Länge gezogen wird. Diese Methode ist jedoch auf diejenigen metallischen Legierungen beschränkt, die ausreichend formbar sind, um ohne Fehler durch Drahtziehen umgeformt zu werden. Bei weniger formbaren Legierungen, wie beispielsweise einigen Superlegierungen mit hoher Gamma-Prime-Phase, die als ein Schweißstab eingesetzt werden sollen, wird die gegossene oder zu Pulver verarbeitete metallische Legierung in ihre endgültige Form extrudiert.
In anderen Fällen gibt es einfach keine Möglichkeit, einen verwendbaren Stab aus einigen Werkstoffen in einer Form herzustellen, die für ihre Verwendung als Schweißzusatzwerkstoff geeignet ist. Einige Zusammensetzungen können nicht in der erforderlichen physikalischen Form bereitgestellt werden. Andere Zusammensetzungen erfahren eine Entmischung oder Trennung der Zusammensetzung, die sie zur Verwendung als ein Schweißzusatzwerkstoff ungeeignet macht.
GB 883 429 und US 2002/0068005 beschreiben Prozesse für die Herstellung einer elektrischen Kontakt- oder Schweißelektrode. US 2002/0073804 beschreibt ein Verfahren zum Rezyklieren Thorium legierter Wolframobjekte. US 3 736 132 befasst sich mit der Herstellung von Stäben aus partikelförmigem Metall. Schließlich sind die US 2003/231974 und US 2003/230170 mit der Erzeugung metallener Artikel befasst.
Es besteht folglich ein Bedarf nach einer verbesserten Methode zur Herstellung eines Stabs, der sich als Schweißstab eignet. Die vorliegende Erfindung deckt diesen Bedarf und bietet ferner damit verbundene Vorteile.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Methode zur Erzeugung eines Stabs bereit, der sich zur Verwendung als ein Schweißstab eignet. Die Methode funktioniert im Zusammenhang mit einer weiten Vielfalt von Werkstoffzusammensetzungen, einschließlich einiger Zusammensetzungen, bei denen es äußerst schwierig oder unmöglich ist, sie ansonsten zu einem Schweißstab zu fertigen. Schwankungen und Trennungen bzw. Entmischungen der Zusammensetzung in dem Schweißstab werden vermieden. Unreinheiten, die mit der schmelzenden Fertigung eines Schweißstabs verbunden sind, werden vermieden. Fertigungsergebnisse sind gegenüber herkömmlichen Methoden insbesondere für diejenigen Schweißwerkstoffe, die nicht ohne weiteres gezogen werden können, verbessert. Die vorliegende Methode ist sowohl für eine Massenproduktion in großem Umfang als auch eine Fertigungsverarbeitung in kleinem Umfang zugänglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Artikels, der einen metallischen Werkstoff mit seinen Elementarbestandteilen aufweist, eine erste Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung, wobei all die nichtmetallischen Vorläuferverbindungen gemeinsam die Elementarbestandteile des metallischen Werkstoffs in ihren jeweiligen Elementarbestandteileverhältnissen enthalten. Das Verfahren enthält ferner eine chemische Reduktion der Vorläuferverbindungen, um Partikel zu erzeugen, die den metallischen Werkstoff aufweisen, ohne die Vorläuferverbindungen zu schmelzen und ohne den metallischen Werkstoff zu schmelzen, und ein anschließendes Verfestigen der Partikel zu einem Stab.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert.
Die nicht metallische Vorläuferverbindung kann in einer beliebigen zweckgeeigneten Form, beispielsweise in Form von Metalloxidvorläuferverbindungen oder Metallhalogenidvorläuferverbindungen, bereitgestellt werden. Die Vorläuferverbindungen sind ausgewählt, um in der chemischen Reduktion eine große Auswahl an Arten von metallischen Werkstoffen, unter anderem Nickel basierte Werkstoffe, Eisen basierte Werkstoffe, Kobalt basierte Werkstoffe und Titan basierte Werkstoffe, zu erzeugen. Ein metallischer Werkstoff von besonderem Interesse ist eine Legierung auf Titanbasis.
Die chemische Reduktion kann durch eine beliebige funktionsfähige Methode durchgeführt werden, bei der die Vorläuferverbindungen und der metallische Werkstoff nicht aufgeschmolzen werden. Besonders interessante Techniken umfassen die Festphasenreduktion und die Dampfphasenreduktion.
Die Verfestigung wird vorzugsweise ohne ein Schmelzen des metallischen Werkstoffes durchgeführt. Eine bevorzugte Verfestigungsmethode bildet eine Rezipienten basierte indirekte Extrusion.
Der Stab wird vorzugsweise danach als ein Schweißstab-Zusatzwerkstoff verwendet.
Die schmelzfreie Methode zur Erzeugung des Stabs und des Schweißstabs weist besondere Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden auf, bei denen die metallischen Bestandteile zuerst geschmolzen und anschließend entweder in Form eines Gussmaterials oder eines Pulvers verfestigt werden. Die aktuelle Methode ergibt einen metallischen Werkstoff mit verbesserter Verarbeitbarkeit aufgrund der feinen Korngröße, die kleinere Fließspannungen zur Folge hat, und der reduzierten elementaren Entmischung, die eine bessere Verformbarkeit ergibt. Die Zusammensetzung des Stabs ist nicht durch die Fähigkeit, die Elementarbestandteile gemeinsam zu verschmelzen, beschränkt, so dass folglich Zusammensetzungen hergestellt werden können, die durch eine Schmelzmethode nicht geschaffen werden können. Das Auftreten von einigen Arten von Verunreinigungen, sowohl chemischen Verunreinigungen, wie beispielsweise Fremdbestandteilen, als auch physikalischen Verunreinigungen, wie beispielsweise einer unerwünschten Oxidschlacke, die in herkömmlich erzeugten Schweißstäben häufig aufzufinden sind, wird unter Verwendung der vorliegenden Methode vermieden. Nebenbestandteile oder sonstige Zusatzstoffe, beispielsweise Flussmittel, können ohne weiteres während des Herstellungsvorgangs dem Schweißstab beigefügt werden. Mit dem Schmelzen verbundene Trennung bzw. Entmischung von Bestandteilen wird vermieden, so dass die Zusammensetzung über den gesamten Schweißstab hinweg sowohl in makroskopischer als auch in mikroskopischer Sicht gleichmäßiger ist. Andererseits kann, falls eine Änderung der Zusammensetzung, beispielsweise von einem Ende zum anderen Ende des Schweißstabs, erwünscht ist, eine kontrollierte Veränderung unter Verwendung der vorliegenden Methode erreicht werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben ist, die zu Beispielszwecken die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen und in denen zeigen:
1 ein Blockschema eines Flussdiagramms einer Methode zur Herstellung und Verwendung des Stabs;
2 eine Perspektivansicht eines Schweißstabs;
3 eine schematisierte Ansicht eines Schweißstabs, der verwendet wird, um Fehler in einem Stück aus einem Trägermaterial zu reparieren;
4 eine schematisierte Ansicht eines Schweißstabs, der verwendet wird, um zwei Stücke aus einem Trägermaterial miteinander zu verbinden; und
5 eine schematisierte Ansicht eines zur Bildung einer Struktur verwendeten Schweißstabs.
1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein Flussdiagramm unter Veranschaulichung eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines Artikels, der einen metallischen Werkstoff mit seinen Elementarbestandteilen aufweist. Es wird wenigstens eine nicht metallische Vorläuferverbindung bereitgestellt, Schritt 20. Sämtliche der nicht metallischen Vorläuferverbindungen enthalten gemeinsam die Elementarbestandteile des metallischen Werkstoffs in ihren jeweiligen Elementarbestandteileverhältnissen. Die Elementarbestandteile können auf eine beliebige geeignete funktionsfähige Weise durch die nicht metallischen Vorläuferverbindungen geliefert werden. In der bevorzugten Methode ist genau eine einzige nicht oxische Vorläuferverbindung für jedes Legierungselement vorgesehen, so dass diese eine Vorläuferverbindung das gesamte Material für diesen jeweiligen metallischen Bestandteil in der Legierung liefert. Für einen vier Elemente aufweisenden metallischen Werkstoff, der das Endergebnis des Prozesses bildet, liefert beispielsweise eine erste Vorläuferverbindung das gesamte erste Element, während eine zweite Vorläuferverbindung das gesamte zweite Element liefert, eine dritte Vorläuferverbindung das gesamte dritte Element liefert und eine vierte Vorläuferverbindung das gesamte vierte Element liefert. In dem Rahmen des Verfahrens sind jedoch Alternativen möglich. Beispielsweise können mehrere der Vorläuferverbindungen gemeinsam das gesamte eine bestimmte metallische Element liefern. In einer anderen Alternative kann eine einzige Vorläuferverbindung vollständig oder zum Teil zwei oder mehrere der metallischen Elemente liefern. Die letzten Vorgehensweisen werden weniger bevorzugt, weil sie die genaue Festlegung der elementaren Verhältnisse in dem endgültigen metallischen Werkstoff erschweren. Der endgültige metallische Werkstoff ist gewöhnlich keine stöchiometrische Verbindung mit relativen Mengen der metallischen Bestandteile, die in Form kleiner ganzer Zahlen ausgedrückt werden können.
Der metallische Werkstoff ist aus der Gruppe ausgewählt, zu der ein Werkstoff auf Nickelbasis, ein Werkstoff auf Eisenbasis, ein Werkstoff auf Kobaltbasis und ein Titan basierter Werkstoff gehören. (Eine „X-basierte" Legierung bzw. eine Legierung auf „X-Basis" weist einen höheren prozentualen Anteil des Elementes X bezogen auf das Gewicht im Verhältnis zu einem beliebigen sonstigen Element und gewöhnlich mehr als etwa 50 Gew.% des Materials auf.) Einige Beispiele umfassen: Nickel basierte Materialien, wie beispielsweise die Legierungen Rene^TM 142, Rene^TM 108, MarM 247, Rene^TM 41 und Waspaloy^TM; Kobalt basierte Materialien, wie beispielsweise die Legierung MarM 509; Titan basierte Materialien, wie beispielsweise Ti-6Al-4V und Gamma-TiAl; sowie Eisen basierte Werkstoffe, wie beispielsweise IN 909.
Ein metallischer Werkstoff von besonderem Interesse ist eine Titan basierte Legierung. Eine Titan basierte Legierung weist im Verhältnis zu einem beliebigen anderen Element einen größeren gewichtsprozentualen Anteil an Titan auf. Sie ist besonders zur Herstellung eines Schweißstabs auf Titanbasis mit einem geringen Sauerstoffgehalt in der Lösung und einem geringen Verunreinigungsgehalt erwünscht, um die Schweißeigenschaften zu verbessern.
Die nicht metallischen Vorläuferverbindungen sind ausgewählt, damit sie in dem Reduktionsprozess funktionieren können, in dem sie zu einer metallischen Form reduziert werden. In einem Reduktionsprozess von Interesse, der Festphasenreduktion, sind die Vorläuferverbindungen vorzugsweise durch Metalloxide gebildet. In einem anderen Reduktionsprozess, der interessant ist, der Dampfphasenreduktion, sind die Vorläuferverbindungen vorzugsweise durch Metallhalogenide gebildet. Es können Gemische von unterschiedlichen Arten von nicht metallischen Vorläuferverbindungen verwendet werden, solange sie in der nachfolgenden chemischen Reduktion einsetzbar sind. An dieser Stelle in der Verarbeitung können auch kompatible Impfstoffe hinzugefügt werden.
Die nicht metallischen Vorläuferverbindungen sind ausgewählt, um die benötigten Metalle in dem endgültigen Artikel zu liefern, und werden in den richtigen Anteilen miteinander vermischt, um die erforderlichen Verhältnisse dieser Metalle in dem Artikel zu ergeben. Wenn beispielsweise der metallische Werkstoff bestimmte Anteile an Titan, Aluminium und Vanadium in dem Verhältnis von 90:6:4 bezogen auf das Gewicht aufweisen soll, sind die nicht metallischen Vorläuferverbindungen vorzugsweise durch Titanoxid, Aluminiumoxid und Vanadiumoxid für die Festphasenreduktion oder durch Titantetrachlorid, Aluminiumchlorid und Vanadiumchlorid für die Dampfphasenreduktion gebildet. Es können auch nicht metallische Vorläuferverbindungen verwendet werden, die als eine Quelle für mehr als nur ein einzelnes der Metalle in dem endgültigen Artikel dienen. Diese Vorläuferverbindungen werden bereitgestellt und in den richtigen Anteilen miteinander vermischt, so dass das Verhältnis von Titan:Aluminium:Vanadium in dem Gemisch der Vorläuferverbindungen dem zur Bildung des metallischen Werkstoffs in dem endgültigen Artikel erforderlichen Verhältnis (von 90:6:4 bezogen auf das Gewicht in dem vorliegenden Beispiel) entspricht.
Die Vorläuferverbindung oder -verbindungen werden chemisch reduziert (d.h. das Gegenteil zur chemischen Oxidation), um Partikel zu erzeugen, die den metallischen Werkstoff aufweisen, Schritt 22, ohne die Vorläuferverbindungen zu schmelzen und ohne den metallischen Werkstoff zu schmel zen. In dem hier verwendeten Sinne bedeuten „ohne zu schmelzen", „kein Schmelzen" und ähnliche Ausdrücke, dass das Material makroskopisch oder grob betrachtet nicht derart aufgeschmolzen wird, dass es sich verflüssigt und seine Form verliert. Es kann beispielsweise ein geringes Maß an örtlich begrenztem Schmelzen, wenn Elemente mit geringem Schmelzpunkt schmelzen und mit Elementen mit höherem Schmelzpunkt, die nicht schmelzen, diffusorisch legiert werden, oder ein sehr kurzes Schmelzen für weniger als etwa 10 Sekunden vorliegen. Selbst in derartigen Fällen bleibt die grobe Gestalt des Werkstoffs unverändert.
In einer bevorzugten chemischen Reduktionsmethode, die als Dampfphasenreduktion bezeichnet wird, weil die nicht metallischen Vorläuferverbindungen als Dämpfe oder Gasphase bereitgestellt werden, kann die chemische Reduktion durch Reduktion von Hallogenidgemischen des Basismetalls und der Legierungselemente unter Verwendung eines flüssigen Alkalimetalls oder eines flüssigen Erdalkalimetalls durchgeführt werden. Beispielsweise werden Titantetrachlorid und die Halogenide der Legierungselemente als Gase bereitgestellt. Ein Gemisch dieser Gase in den geeigneten Mengen wird mit geschmolzenem Natrium in Kontakt gebracht, so dass die Metallhalogenide zu der metallischen Form reduziert werden. Die metallische Legierung wird von dem Natrium getrennt. Diese Reduktion wird bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der metallischen Legierung durchgeführt. Die Methode ist in einer vollständigeren Weise in den US-Patenten 5 779 761 und 5 958 106 beschrieben. Es können kontrollierbare Mengen von Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, zu den Vorläuferverbindungen hinzugefügt und mit diesen vermischt werden. Diese zusätzlichen Gase sind in dem reduzierten Metall eingemischt. Gewöhnlich sind in dieser Prozessvariante mit Gaszugabe, wenn Sauerstoff zugefügt wird, in den nicht metallischen Vorläuferverbindungen auch Oxid bildende Elemente enthalten, und diese Oxid bildenden Elemente reagieren mit den gasförmigen Zusätzen, um in dem reduzierten Metall Oxiddispersoide zu bilden. Eine ähnliche Methode wird verwendet, um Nitride zu bilden, wenn Stickstoff das zugefügte Gas bildet.
Eine chemische Reaktion bei niedrigeren Temperaturen wird eher bevorzugt als bei höheren Temperaturen. Die Reduktion wird bei Temperaturen von 600°C oder weniger und vorzugsweise bei 500°C oder geringeren Temperaturen durchgeführt. Im Vergleich hierzu erreichen herkömmliche Methoden zur Herstellung von Titan- und sonstigen Metalllegierungen häufig Temperaturen von 900°C oder mehr und gewöhnlich Temperaturen oberhalb der Schmelzpunkte der Legierungen. Die Reduktion bei einer niedrigeren Temperatur lässt sich besser kontrollieren und neigt auch weniger zu der Einbringung einer Verunreinigung in die metallische Legierung, wobei diese Verunreinigung wiederum zu chemischen Defekten führen kann. Ferner reduzieren die niedrigeren Temperaturen die Auftrittswahrscheinlichkeit, dass Partikel während des Reduktionsschritts zusammenbacken.
In einer weiteren Reduktionsmethode, die als Festphasenreduktion bezeichnet wird, weil die nicht metallischen Vorläuferverbindungen als Festkörper geliefert werden, kann die chemische Reduktion mittels einer Salzschmelzenelektrolyse durchgeführt werden. Eine Salzschmelzenelektrolyse ist eine bekannte Technik, die beispielsweise in der veröffentlichten Patentanmeldung mit der Nr. WO 99/64 638 beschrieben ist. Kurz zusammengefasst, wird in der Salzschmelzenelektrolyse das Gemisch von nicht metallischen Vorläufer verbindungen, das in einer fein zerteilten festen Form geliefert wird, in einer Elektrolysezelle in einen Salzschmelzeelektrolyten, beispielsweise ein Chloridsalz, bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Legierung eingetaucht, die sich aus den nicht metallischen Vorläuferverbindungen bildet. Bei einer inerten Anode wird das Gemisch der nicht metallischen Vorläuferverbindungen als Kathode der Elektrolysezelle festgelegt. Die mit den Metallen in den nicht metallischen Vorläuferverbindungen verbundenen Elemente, wie beispielsweise Sauerstoff in dem bevorzugten Fall nicht metallischer Oxidvorläuferverbindungen, werden durch chemische Reduktion (d.h. die Umkehr der chemischen Oxidation) teilweise oder vollständig von dem Gemisch entfernt. Die Reaktion wird bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt, um die Diffusion des Sauerstoffs oder eines anderen Gases von der Kathode weg zu beschleunigen. Das Kathodenpotential wird gesteuert um sicherzustellen, dass es zu der Reduktion der nicht metallischen Vorläuferverbindungen kommt und nicht zu anderen möglichen chemischen Reaktionen, wie beispielsweise der Zersetzung des geschmolzenen Salzes. Das Elektrolyt ist ein Salz, vorzugsweise ein Salz, das stabiler ist als das äquivalente Salz der raffinierten Metalle und idealer Weise sehr stabil, um den Sauerstoff oder ein anderes Gas bis auf ein gewünschtes niedriges Maß zu beseitigen. Die Chloride und Gemische von Chloriden von Barium, Kalzium, Cäsium, Lithium, Strontium und Yttrium werden bevorzugt. Die chemische Reduktion wird vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, bis zur Vollendung ausgeführt, so dass die nicht metallischen Vorläuferverbindungen vollständig reduziert sind. Ein nicht bis zur Beendigung Führen des Prozesses bildet ein Verfahren zur Steuerung des Sauerstoffgehaltes des erzeugten Metalls.
Optional wird die nicht metallische Vorläuferverbindung bzw. werden die nicht metallischen Vorläuferverbindungen nach dem Bereitstellungsschritt 20 und vor dem Schritt 22 der chemischen Reduktion vorverfestigt, Schritt 21. Eine derartige Vorverfestigung ergibt ein poröses Formteil, das im Schritt 22 chemisch reduziert wird, um einen schwammartigen metallischen Werkstoff zu bilden. Der schwammartige metallische Werkstoff kann unter Auslassung des folgenden Schritts 24 unmittelbar als Schweißstab verwendet werden, oder er kann in dem nachfolgenden Schritt 24 ferner verfestigt werden.
Bei einer noch weiteren Reduktionsmethode, die als „schnelle Plasmaauslösch"-Reduktion („Rapid Plasma Quench" Reduction) bezeichnet wird, wird die nicht metallische Vorläuferverbindung, beispielsweise Titanchlorid in einem Plasmabogen bei einer Temperatur von über 4500°C dissoziiiert. Die nicht metallische Vorläuferverbindung wird schnell erhitzt, dissoziiert und abgekühlt. Das Ergebnis sind feine metallische Partikel. Jegliches Schmelzen der metallischen Partikel dauert sehr kurz, in der Größenordnung von 10 Sekunden oder weniger, und ist von dem Rahmen des „ohne Schmelzen" und dergleichen, wie es hier verwendet wird, umfasst.
Ein Vorteil all dieser Reduktionstechniken besteht darin, dass Impfstoffe und andere Komponenten ohne weiteres in die Partikel eingebracht oder mit diesen vermischt werden können. Die Impfstoffe werden vorzugsweise eingeführt, nachdem die nicht metallischen Vorläuferverbindungen in Schritt 20 bereitgestellt bzw. eingetragen werden, und vor dem Verfestigungsschritt 24. Derartige Impfstoffe können beispielsweise absichtlich eingebrachten Sauerstoff oder Stickstoff enthalten, der Oxid- oder Nitridpartikel erzeugt, die zur Verfeinerung der Korngröße des Schweißteils dienen, das erzeugt wird, wenn der metallische Werkstoff gegebenenfalls als ein Schweißstab verwendet wird.
Das Ergebnis des chemischen Reduktionsschritts 22 ist eine Mehrzahl von Partikeln oder der vorverfestigte Stab (wenn der Schritt 21 in Verbindung mit dem Festphasenreduktionsprozess verwendet wird), wobei jedes Partikel oder jeder vorverfestigte Stab den metallischen Werkstoff aufweist. Diese Partikel werden ohne ein Schmelzen der Vorläuferverbindung(en) oder des metallischen Werkstoffs hergestellt. Die Partikel haben einen geringen Gehalt an Verunreinigungen, beispielsweise metallischen Verunreinigungen, keramischen Verunreinigungen, unerwünschten Oxiden und dergleichen, die von herkömmlichen Schmelzoperationen herrühren, wenn nicht Sauerstoff oder Stickstoff absichtlich eingebracht wird, um einen hohen Sauerstoff-, Oxid-, Stickstoff- oder Nitridgehalt einer gewünschten Struktur oder Anordnung zu schaffen.
Die Partikel werden verfestigt, um einen Stab herzustellen, Schritt 24, wenn der Schritt 21 nicht verwendet worden ist, oder der vorverfestigte schwammartige Stab kann in Schritt 24 ferner verfestigt werden. Es kann jede funktionsfähige Verfestigungsmethode verwendet werden, vorzugsweise eine Methode, bei der die Partikel und der Stab nicht aufgeschmolzen werden. Eine bevorzugte Methode ist eine Rezipienten basierte indirekte Extrusion (Containerized Extrusion), bei der die Partikel in einem Rezipienten eingeschlossen werden, der Rezipient extrudiert wird, um die Partikel zu verfestigen und gemeinsam mechanisch zu ver dichten, um den Stab zu bilden, und anschließend der Rezipient entfernt wird, um den Stab zu hinterlassen. Es können andere Komponenten, beispielsweise feste Flussmittel, mit den Partikeln vermischt werden, bevor sie in dem Rezipienten eingeschlossen werden.
2 veranschaulicht einen Stab 30, der durch die Rezipienten basierte indirekte Extrusion erzeugt worden ist. Der Stab ist länglich und kann eine beliebige zweckdienliche Gestalt aufweisen, wobei er vorzugsweise zylindrisch symmetrisch ist. Der Stab kann eine beliebige Länge aufweisen, entweder diskrete Längen aufweisen oder in Form eines langen Stücks des Werkstoffs ausgebildet sein, das gewöhnlich gewickelt ist. Der Stab kann einen beliebigen zweckdienlichen Durchmesser, einschließlich derjenigen, die manchmal als „Stab" bezeichnet und die manchmal als „Draht" bezeichnet werden, wobei beide hier von dem Ausdruck „Stab" mit umfasst sind.
Der Stab 30 kann für einen beliebigen Zweck verwendet werden, wird jedoch vorzugsweise als ein Schweißstab-Zusatzwerkstoff verwendet, Schritt 26. 3–5 veranschaulichen in einer vereinfachten Form drei Verwendungen des Stabs 30 als ein Schweißstab-Zusatzwerkstoff. 3 veranschaulicht, wie der Stab als ein Schweißstab 32 verwendet wird, um ein Füllmetall zur Reparatur eines Fehlvolumens 34 an einer Oberfläche eines einzelnen Trägermaterialstücks 36 bereitzustellen. Der Schweißstab 32 kann die gleiche Zusammensetzung wie das Trägermaterialstück 36 aufweisen, so dass das reparierte Volumen die gleiche Zusammensetzung wie das Trägermaterialstück 36 aufweist. Alternativ kann der Schweißstab 32 eine andere Zusammensetzung als das Trägermaterialstück 36 aufweisen, so dass das repa rierte Volumen eine sich von dem Trägermaterialstück 36 unterscheidende Zusammensetzung aufweist. In dieser Verwendung wird das Fehlvolumen 34, beispielsweise ein Riss oder eine Vertiefung, gewöhnlich gesäubert und fehlerhaftes Material entfernt. Das Fehlvolumen 34 wird durch eine beliebige zweckdienliche Methode erhitzt, um das Trägermaterial lokal aufzuschmelzen, und der Schweißstab 32 wird in den geschmolzenen Bereich eingeführt. Der Schweißstab 32 schmilzt, um einen schmelzflüssigen Tropfen oder Vorrat zu bilden, der sich beim Abkühlen zu einer Schweißverbindung 38 verfestigt. Die gleiche Methode kann verwendet werden, um auf dem einzelnen Stück 36 einen Schweißüberzug entweder mit der gleichen Zusammensetzung wie das Trägermaterial oder mit einer anderen Zusammensetzung, beispielsweise eine Schutzhartschicht auf einem weicheren Stück 36, aufzubringen.
4 veranschaulicht den Stab 30, wie er als ein Schweißstab 32 verwendet wird, um ein erstes Stück 40 aus einem ersten Trägermaterial und ein zweites Stück 42 aus einem zweiten Trägermaterial miteinander zu verbinden. Wenn das erste Trägermaterial und das zweite Trägermaterial die gleiche Zusammensetzung aufweisen, weist der Schweißstab 32 vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung auf. Wenn das erste Trägermaterial und das zweite Trägermaterial verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, kann der Schweißstab 32 die gleiche Zusammensetzung wie entweder das erste Trägermaterial oder das zweite Trägermaterial aufweisen, oder er kann eine völlig andere Zusammensetzung, beispielsweise eine Zwischenzusammensetzung, aufweisen. In jedem Fall wird ein Verbindungsvolumen 44, in dem die beiden Stücke 40 und 42 zu einer eng einander gegenüberliegenden und einander berührenden Anordnung gebracht werden, mittels einer beliebi gen geeigneten Methode erhitzt, um das Trägermaterial lokal aufzuschmelzen, und der Schweißstab 32 wird in den aufgeschmolzenen Bereich eingeführt. Der Schweißstab 32 schmilzt, um einen schmelzflüssigen Tropfen bzw. Vorrat zu bilden, der sich beim Abkühlen in Form einer Schweißverbindung 46 verfestigt. Die Schweißstelle verbindet die Stücke 40 und 42 miteinander.
5 veranschaulicht den Schweißstab 32, wie er in der Strahl 50 eines Lasers 52 eingebracht wird. Der Schweißstab 32 wird aufgeschmolzen, um Tröpfchen 54 zu bilden, oder aufgeteilt, um kleine Feststoffteile des Metalls zu bilden, die anschließend auf einen Träger 56 aufgebracht werden. Die Tröpfchen 54 erzeugen in zunehmendem Maße eine aufgebaute Struktur 58, die die gleiche Zusammensetzung wie der Träger 56 oder eine andere Zusammensetzung aufweisen können. Diese Methode kann beispielsweise dazu verwendet werden, komplexe Strukturen, wie beispielsweise Rohrleitungen mit einem integralen Waffelgitter-Verstärkungsmuster, zu erzeugen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Artikels, der einen metallischen Werkstoff mit seinen Elementarbestandteilen aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung, wobei sämtliche dieser nicht metallischen Vorläuferverbindungen gemeinsam die Elementarbestandteile des metallischen Werkstoffs in ihren jeweiligen Elementarbestandteileverhältnissen enthalten; danach chemische Reduktion der Vorläuferverbindungen bei einer Temperatur von 600°C oder weniger, um Partikel zu erzeugen, die den metallischen Werkstoff aufweisen, ohne die Vorläuferverbindungen zu schmelzen und ohne den metallischen Werkstoff zu schmelzen, so dass die gesamte Form unverändert bleibt, wobei der metallische Werkstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein nickelbasiertes Material, ein eisenbasiertes Material, ein kobaltbasiertes Material und ein titanbasiertes Material gehören; und danach Verfestigung der Partikel zu einem Schweißstab (32).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung den Schritt enthält: Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung, die Metalloxidvorläuferverbindungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung den Schritt enthält: Bereitstellung wenigstens einer nicht metallischen Vorläuferverbindung, die Metallhalogenidvorläuferverbindungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der chemischen Reduktion den Schritt enthält: chemische Reduktion des Gemisches nichtmetallischer Vorläuferverbindungen durch Festphasenreduktion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der chemischen Reduktion den Schritt enthält: chemische Reduktion des Verbindungsgemisches durch Dampfphasenreduktion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Verfestigung den Schritt enthält: Verfestigung der Partikel, ohne den metallischen Werkstoff zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Verfestigung den Schritt enthält: Verfestigung der Partikel mittels einer Rezipienten basierten indirekten Extrusion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduktion bei 500°C oder einer niedrigeren Temperatur durchgeführt wird.