Tantal und Tantallegierungen zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Dichte, Korrosionsbeständigkeit, überlegene Hochtemperaturfestigkeit, gute Bearbeitbarkeit und eine niedrige Duktil-Spröd-Übergangstemperatur aus. Sie werden vorwiegend in Hochtemperatur-Strukturwerkstoffen und korrosionsbeständigen Werkstoffen eingesetzt und finden daher breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der chemischen Industrie. Tantal und Tantallegierungen werden durch pulvermetallurgische oder Schmelzverfahren in Kombination mit traditionellen Bearbeitungsmethoden zu Bauteilen verarbeitet.
In der sich rasant entwickelnden Materialwissenschaft werden immer höhere Anforderungen an moderne metallische Werkstoffe gestellt. Anwendungen wie Hyperschallflugzeuge, wärmeleitende Komponenten in der Nuklearindustrie, Hochtemperaturmotoren und Gasturbinen erfordern höhere Betriebstemperaturen zur Verbesserung von Effizienz und Stabilität. Traditionelle Hochtemperaturlegierungen wie Kobalt- und Nickelbasislegierungen haben jedoch ihre Leistungsgrenzen nahezu erreicht und genügen nicht mehr den Anforderungen von Hochtemperaturanwendungen. Hochschmelzende Metalle und ihre Legierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohe Schmelzpunkte und Beständigkeit gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen aus. Insbesondere behalten sie ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen mit Temperaturen über 1500 °C bei. Dies macht sie zu den vielversprechendsten neuen Metallwerkstoffen für Hochtemperaturanwendungen. Unter den hochschmelzenden Metallwerkstoffen sind Tantal-Niob-Legierungen aufgrund ihrer anspruchsvollen Herstellung und ausgewogenen Eigenschaften zunehmend für verschiedene Hochtemperatur-Wärmeleitungsgeräte gefragt. Die Forschung auf diesem Gebiet befindet sich in China jedoch noch in einem frühen Stadium.
Hochschmelzende Metalle und ihre Legierungen umfassen hauptsächlich Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob und deren Legierungen. Sie weisen Schmelzpunkte über 2000 °C und eine gute Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen auf. Aktuell zählen elementares Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob und Wolframlegierungen zu den am häufigsten erforschten hochschmelzenden Metallen. Der hohe Schmelzpunkt und die hohe Festigkeit dieser Metalle erschweren jedoch ihre Bearbeitung und das Schweißen und schränken somit ihre praktischen Anwendungen ein. Mit der Entwicklung und zunehmenden Verbreitung additiver Fertigungstechnologien lassen sich komplexe Metallbauteile herstellen, was einen neuen Anwendungsansatz für Tantal-Niob-Legierungen eröffnet. Allerdings stellt die additive Fertigung hohe Anforderungen an die Eigenschaften der Rohmaterialien und die Prozessparameter. Da Tantal-Niob-Legierungen empfindlich auf Temperaturänderungen während der additiven Fertigung reagieren, kann die Verwendung eines Titanlegierungssubstrats mit guter Wärmeleitfähigkeit die Eigenschaften des Bauteils deutlich verbessern. Das Titanlegierungssubstrat stellt hierbei lediglich eine bevorzugte Ausführungsform dar; Fachleute können auch andere Substrate mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit verwenden.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Tantal-Niob-Legierungen werden Substrat und Pulver vor der Pulverformung mittels laserbasierter additiver Fertigung vorgewärmt. Studien haben gezeigt, dass mit steigender Vorheiztemperatur Verformungen und Risse beim additiven Fertigungsverfahren abnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Bauteilen aus Tantal-Niob-Legierung werden Pulver und Substrat auf über 200 °C vorgeheizt. Die Obergrenze der Vorheiztemperatur hängt von der Anlage, dem Schmelzpunkt des verwendeten Pulvers und dem Schmelzpunkt des Substrats ab. Die Vorheiztemperatur darf die Toleranzbereiche der Anlage, den Schmelzpunkt des Pulvers und den Schmelzpunkt des Substrats nicht überschreiten. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Substrat-Vorheiztemperatur 200–500 °C. Die Scanleistung des Lasers für die additive Fertigung liegt über 300 W. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Scanleistung 300–360 W.
Aufgrund der hohen Kosten von reinem Tantal wird in der Praxis aus Kostengründen Niob als Legierungselement beigemischt. Da Tantal und Niob unendlich gut miteinander mischbar sind, kann eine Erhöhung des Niobgehalts die Materialkosten senken und gleichzeitig die geforderten Eigenschaften gewährleisten. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass ein zu hoher Niobgehalt die Verarbeitbarkeit und die Gesamtleistung des Legierungsprodukts erheblich beeinträchtigen kann. Untersuchungen haben ergeben, dass eine Zusammensetzung zwischen Ta40Nb60 und Ta80Nb20, vorzugsweise zwischen Ta55Nb45 und Ta65Nb35, für die Herstellung von Hochleistungspulverwerkstoffen nach dem Verfahren dieser Erfindung am vorteilhaftesten ist.
Das Herstellungsverfahren für Tantal-Niob-Legierungspulver nutzt aufgrund der hohen Schmelzpunkte von Tantal und Niob vorzugsweise Lichtbogen- oder Elektronenstrahlschmelzen zum Schmelzen der Legierungsblöcke. Diese Blöcke werden anschließend einer Hydrierungsbehandlung unterzogen. Im Herstellungsverfahren für Tantal-Niob-Legierungspulver wird die Legierung in einem Schritt, der sogenannten Hydrierung, unter Verwendung einer Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre hydriert. Diese wird durch Druck und Erhitzen erzeugt.
Die Hochtemperatur-Wasserstoffatmosphäre im Herstellungsverfahren für Tantal-Niob-Legierungspulver weist eine Temperatur von über 300 °C auf. Vorzugsweise liegt die Temperatur über 340 °C. Ziel ist die Hydrierung der Tantal-Niob-Legierung. Je nach Anforderungen der Hydrierungsanlage kann jedoch auch ein Hochtemperatur-Niederdruck-Verfahren zur Zerkleinerung eingesetzt werden. Im zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens für Tantal-Niob-Legierungspulver wird vorzugsweise zunächst durch physikalische Zerkleinerung ein hydriertes Tantal-Niob-Legierungspulver gewonnen, das anschließend mittels Fließmühle weiter vermahlen wird.
Das in Schritt 2 hergestellte Tantal-Niob-Legierungspulver weist eine Partikelgröße zwischen 10 und 60 Mikrometern auf. Die Plasmabehandlung des hydrierten Tantal-Niob-Legierungspulvers erfolgt durch Zuführung des Rohpulvers in eine Gleichstrom-Plasma-Sphäroidisierungsanlage. Durch Anpassung der Zuführungsrate und der Länge des Zuführungsrohrs wird das hydrierte Pulver mittels Hochtemperatur-Gleichstromplasma dehydriert und sphäroidisiert. Anschließend wird das Pulver wieder aufgeschmolzen, wobei die Oberflächenspannung der Schmelze die Erstarrung zu sphärischen Partikeln bewirkt. Die Plasmabehandlung kombiniert die geschichtete Gleichstrom-Plasma-Sphäroidisierung mit einer Hochdruck-Gasabschreckung. Die Kombination aus Hochtemperaturplasma und Kühlung mit Inertgas bei Raumtemperatur maximiert die Sphäroidisierungsrate des Pulvers und reduziert gleichzeitig die bei der Verdampfung entstehenden Nanopartikel, wodurch die Produktqualität verbessert wird.
