Die Field Assisted Sintering Technique (FAST), auch bekannt als Spark Plasma Sintering (SPS), revolutioniert die Verarbeitung von Titanpulver. Sie erfüllt zwei wesentliche Funktionen in der Herstellung von Titanbauteilen:
- FAST als analytisches Werkzeug: Sie ermöglicht eine präzise Messung des Wasserstoffgehalts in Titanpulvern und liefert Daten zur Effizienzsteigerung des vorgelagerten thermischen Dehydrierungsprozesses.
- FAST als Sintertechnologie: Anschließend wird sie zur Verarbeitung effektiv dehydratisierter und gereinigter Titanpulver in hochwertige, nahezu endkonturnahe Bauteile wie Scheiben, Platten und Ringe mit gleichmäßiger Wandstärke genutzt.
Durch die Unterscheidung dieser beiden Anwendungen können Industrien sowohl die Wasserstoffentfernung in der Titanpulvervorbereitung optimieren als auch eine höhere Bauteilqualität im finalen Sinterprozess erreichen.
Erfassung von Wasserstoffdaten mit FAST zur Verbesserung des vorgelagerten Prozesses
Die Dehydratisierung von Titanpulvern, insbesondere solcher mit Wasserstoff in Form von TiH₂, ist entscheidend für die Herstellung leistungsfähiger Materialien. Wasserstoff muss in einem vorgelagerten thermischen Prozess effizient entfernt werden, um Sprödigkeit im Endprodukt zu vermeiden.
FAST spielt eine entscheidende Rolle bei der exakten Erfassung des Wasserstoffmassenverlusts und ermöglicht Herstellern die Verfeinerung des vorgelagerten Dehydrierungsprozesses vor dem Sintern.
1. Indirekte Messung des Wasserstoffgehalts
Da die Wasserstoffmasse in einer FAST-(SPS)-Maschine nicht direkt gemessen werden kann, basiert der Prozess auf indirekten Methoden:
- Massenmessung: Das Gewicht des Ausgangspulvers wird mit dem Endgewicht des gesinterten Bauteils verglichen. “Diese Gewichtsdifferenz stellt die Masse des beim Sintern freigesetzten Wasserstoffs dar” (Kieback et al., 2007, S. 58).
- Volumenänderungen: Die FAST-Maschine misst den Hub ihres Stempels, der die Höhe der gesinterten Scheibe repräsentiert. In Kombination mit dem festen Durchmesser der Graphitwerkzeuge können Volumenänderungen berechnet und mit der Wasserstofffreisetzung korreliert werden.
2. Überwachung der Wasserstoffentwicklung durch Änderungen des Partialdrucks
- Vakuum und Partialdruck: Das angelegte Vakuum beeinflusst die Änderungen des H₂-Partialdrucks in der Kammer. Die Überwachung dieser Änderungen bietet eine Korrelation zwischen Volumenreduktion und Wasserstoffentwicklung (Adam et al., 2011, S. 45).
3. Zeitaufgelöste Analyse der Wasserstofffreisetzung
FAST-Systeme erfassen Temperatur, Druckänderungen und Stempelhub über die Zeit. Dies ermöglicht:
- Die Ermittlung der exakten Temperatur, bei der Wasserstoff aus dem Material austritt.
- Die Überwachung der Wasserstofffreisetzungsrate durch die erste Ableitung der Hubveränderungen (Kretzschmar & Kraft, 2022, S. 82).
Mithilfe dieser Daten können thermische Dehydrierungsanlagen vor der FAST-Verarbeitung optimiert werden, um eine effizientere Wasserstoffentfernung vor dem Sintern sicherzustellen.
FAST zur Herstellung hochwertiger Bauteile aus dehydratisiertem Ti-Pulver
Nachdem der vorgelagerte thermische Dehydrierungsprozess optimiert wurde, wird FAST für eine separate Anwendung genutzt: die Verarbeitung effektiv dehydratisierter Titanpulver zu hochwertigen Bauteilen.
FAST ermöglicht die Produktion von nahezu endkonturnahen Bauteilen, während es eine herausragende Materialintegrität sicherstellt.
Sicherstellung hochwertiger Ergebnisse
- Feinkörnige Mikrostruktur:
Durch schnelle Heiz- und Abkühlzyklen werden gleichmäßige, feinkörnige Strukturen gefördert, was die mechanischen Eigenschaften verbessert. - Konstante Geometrie:
Die nahezu endkonturnahe Fertigung minimiert Nachbearbeitung und Materialverlust, was die Produktionseffizienz erhöht. - Hohe Reinheit:
Die Verwendung von hochreinem und insbesondere effektiv dehydratisiertem Titanpulver, das einem speziellen thermischen Dehydrierungsprozess vorgelagert durchlaufen hat, ist entscheidend für die Erfüllung strenger Qualitätsstandards in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Industrie. Dadurch wird sichergestellt, dass das dehydrierte Pulver frei von überschüssigem Wasserstoff und Verunreinigungen ist, was zu einer verbesserten Bauteilleistung und -zuverlässigkeit führt.
Anwendungen in Hochleistungssektoren
FAST spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Hochleistungsbauteilen:
- Luft- und Raumfahrt:
Leichte Titanbauteile mit gleichmäßigen Mikrostrukturen und hoher Festigkeit. - Medizin:
Hochreine Titanimplantate und chirurgische Instrumente mit exzellenter Biokompatibilität. - Industrie:
Kosteneffiziente Produktion von Titanbauteilen mit minimalem Materialverlust.
Durch die Optimierung sowohl des vorgelagerten Dehydrierungsprozesses als auch des FAST-Sinterprozesseskönnen Hersteller die höchsten Qualitätsstandards in diesen Industrien erfüllen.
Fazit
FAST erfüllt zwei wesentliche Funktionen in der Titanpulververarbeitung:
- Datenerfassung zur Optimierung des vorgelagerten Prozesses:\
- FAST wird zur Messung von Wasserstoffgehalt und -freisetzung genutzt, um den vorgelagerten Dehydrierungsprozess zu verbessern.
- Sintern hochwertiger Bauteile:\
- FAST verarbeitet bereits dehydratisierte Pulver zu hochreinen, nahezu endkonturnahen Bauteilen mit exzellenten mechanischen Eigenschaften.
Durch die Nutzung dieser zwei Anwendungen von FAST können Industrien die Effizienz der Pulverdehydration steigern, Sinterprozesse optimieren und hochwertigere Titanbauteile für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Industrie herstellen.
Mit dem Fortschritt dieser Technologie wird FAST weiterhin neue Maßstäbe in Effizienz, Präzision und Materialleistung setzen.
Literaturverzeichnis
Adam, V., Clauss, U. & Krüssel, T. (2011). Elektronenstrahlschweißen: Die Grundlagen einer faszinierenden Technologie. Pro-beam AG & Co. KGaA.
Kieback, B., Wieters, K.-P. & Schatt, W. (2007). Pulvermetallurgie: Technologien und Werkstoffe. Springer-Verlag.
Kretzschmar, H.-J. & Kraft, I. (2022). Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik. Carl Hanser Fachbuchverlag.
Totten, G. E. (2006). Wärmebehandlung von Stahl: Metallurgie und Technologien. Taylor & Francis Group.
