Wachstumskern Thale PM - Verbundprojekt 3: Neue MIM-Werkstoffe. Teilprojekt 4: Entwicklung neuer über das MIM-Verfahren verarbeitbarer heißgaskorrosionsbeständiger Werkstoffe

Das potentielle Marktvolumen und das Interesse der Kunden an Produkten, die endformnah über das MIM-Verfahren gefertigte Teile für heißgaskorrosionsbeständige Anwendungen zum Einsatz bringen möchten, wachsen ständig. Aufbauend auf den Erfahrungen beim Einsatz der aktuellen MIM-Serienteile sind für den Markt zukünftig insbesondere Anwendungen im Einsatzbereich oberhalb 850 °C bis 1100 °C von Interesse. Das betrifft konkret Teile für Turbolader für Benzinmotoren und Triebwerkskomponenten im entsprechenden höheren Temperaturbereich. Diese Werkstoffklasse war jedoch dem MIM-Verfahren vorenthalten. Zwar gibt es eine Reihe von Materialien, die für den Einsatz unter hohen Temperaturen (größer 850 °C) und korrosiven Medien (z.B. Abgas von Verbrennungsmotoren) entwickelt wurden. Die Heißgaskorrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe wird i.a. durch Legierungselemente erzielt, die auf der Bauteiloberfläche fest haftende Oxidschichten erzeugen sowie durch Bildung temperaturbeständiger Ausscheidungen eine hinreichende Festigkeit der Werkstoffmatrix erzeugen. Insbesondere die Oxidschichten verhindern jedoch die Werkstoffherstellung über das MIM-Verfahren, da sie den Sintervorgang zwischen den Partikeln be- oder vollständig verhindern. Mit der Entwicklung von Werkstoffen für Einsatztemperaturen > 850 °C, die über das MIM-Verfahren verarbeitbar sind, können neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Konkret haben sich die Partner im Verbundvorhaben Neue MIM-Werkstoffe "innerhalb des Wachstumskerns Thale PM" folgende Ziele gesetzt: 1. Entwicklung von heißgaskorrosionsbeständigen Werkstoffen im Temperaturbereich bis 1100 °C. 2. Prozesssichere Verarbeitung dieser Werkstoffe zu endformnahen, komplexen Bauteilen über das MIM-Verfahren (pulvermetallurgisches Spritzgießen). 3. Erweiterung der Formgebungsmöglichkeiten und Erhöhung der Prozesssicherheit im MIM-Verfahren. Parallel dazu sind verfahrenstechnische Fragen wie z.B. die Verarbeitung von Metallpulvern, die über preiswertere Fertigungstechnologien hergestellt wurden, die Senkung des Werkzeugverschleißes oder Erweiterung der Formgebungsmöglichkeiten einer Klärung zuzuführen. Es wurden Ni- und Fe-Basis-Werkstoffe identifiziert, die bisher über das MIM-Verfahren nicht hergestellt werden. Beginnend mit konventionellen Hochtemperaturwerkstoffen wurde die Technologieentwicklung mit den Schwerpunkten Wärmebehandlung und Charakterisierung durchgeführt. Mit der Option modifizierter bzw. neuer Werkstoffe wurde die Entwicklung fortgesetzt. Es wurde gezeigt, dass hoch Al-haltige ausscheidungshärtende Ni-Basis-Legierungen als MIM-Zugstäbe als auch als Demonstrator (Turbinenrad für Turbolader) hergestellt werden können. Die Hochtemperatureigenschaften (mechanisch, Oxidation) lassen eine Anwendungstemperatur > 850 °C zu. Die mechanischen Kennwerte lassen eine gute Wettbewerbsfähigkeit insbesondere mit konkurrierenden Fertigungsverfahren erwarten. Als neue Werkstoffklasse wurden ODS-Werkstoffe eingeführt. Eine im Verlauf des Projektes patentierte Produktionsroute wurde entwickelt und geprüft. Es wurde nachgewiesen, dass ein MIM-fähiges ODS-Pulver über Hochenergiemahlen hergestellt und zu 100% über MIM verarbeitet werden kann. Die Wärmebehandlung gestaltete sich sehr aufwendig und es konnten nur einzelne Proben mit ausreichend hoher Sinterdichte hergestellt werden. Die Härte einer dieser Proben ist vergleichbar zum Stand der Technik. Zukünftig besteht für diese Werkstoffe noch verstärkter Entwicklungsbedarf. Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass Hochtemperaturwerkstoffe mit Anwendungstemperaturen > 850 °C über MIM (metal injection molding) verarbeitet werden können. Damit ergibt sich für die beteiligten Industriepartner eine wesentlich Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten. Ein Wissensvorsprung wurde insbesondere bei den ODS-Werkstoffen erarbeitet. Diese Erkenntnisse werden in zukünftige Projekte einfließen. Es erscheint damit auch möglich, andere Hochtemperaturwerkstoffe über das MIM-Verfahren zu verarbeiten Anwendungsmöglichkeiten werden derzeit vor allem in Turboladern für Ottomotoren und in stationären Turbinen bzw. Triebwerken gesehen.

The potential market volume and demand of customers for products, which are corrosion resistant at high service temperatures and can be manufactured by the near-net-shape technique of MIM, is constantly growing. Based on MIM parts, which are currently in operation, service temperatures above 850 °C up to 1050 °C are of particular interest. This especially applies to parts turbochargers or turbines. Until the start of this project the MIM process wasn't applied to respective alloys. There is a variety of materials, which were developed for service at high temperatures and corrosive atmospheres. Hot gas corrosion resistance is achieved by the ability of these alloys to form protective layers, which adhere very well on the metal surface. Furthermore, they contain elements, which form precipitates that lead to increased high-temperature strength. However, the oxide layers, wich are formed on the most oxygen-affine elements, lead to constraints in the sintering process. With alloys, which allow operation at temperatures > 850 °C and can be produced by MIM, new applications become possible. The partners of the project "New MIM alloys" agreed on the following aims: 1. Development of hot-corrosion-resistant MIM-processible alloys for temperatures up to 1100 °C. 2. Manufacturing of complex near-net-shape parts of these alloys by MIM with good process reliability. 3. Test of new moulding techniques and increase of process safety of MIM. In parallel process-related questions such as cost efficiency of MIM powders and decreasing the wear of the moulds are investigated. Ni- and Fe-base superalloys were identified, which up to now are not processed by MIM. Starting with conventional alloys the development was done with the focus on heat treatment and characterization. Work was continued with optimized alloys and completely new alloys. It was shown that high Al-containing precipitation-hardened Ni-base superalloys can be produced as tensile bars and turbine wheels. Based on the high-temperature properties (mechanical, oxidation) a service temperature > 850 °C seems possible. Mechanical properties are comparable to those of alternative production routes (HIP, investment casting). ODS (oxide dispersion strengthened) alloys were introduced as a class of materials, which is new to MIM. A patented process route was identified and tested. It was shown that a MIM-processible powder can be produced by high-energy milling. The heat treatment was very complex and only a small amount of samples with sufficient density were produced. The hardness of these samples is comparable to the state of the art. The results of this project show that high-temperature alloys with operation temperatures > 850 °C can be processed by MIM. Therefore, the industrial partners of the project are able to expand the range of possible applications. Especially for the ODS alloys there is a competitive advantage. These results will be the basis for future R&D work. It seems possible that also other hightemperature alloys can be processed by MIM. Currently the most promising new applications are turbochargers for gasoline engines and parts in stationary turbines and jet engines.