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Bei der Konstruktion einiger Industriebauteile ist es notwendig, Materialien
zu verwenden, die eine bessere Performance als andere gewährleisten können. Denken
Sie beispielsweise an die Sektoren Energie und Luft- und Raumfahrt:
- Turbinen von Flugzeugtriebwerken erfordern den Einsatz von Materialien,
die äußerst hohen Temperaturen standhalten können;
- Die Öl- und Gasbranche erfordert Materialien mit einer
hohen Korrosionsbeständigkeit.
Möchten auch Sie herausfinden, welche Materialien für bestimmte Verfahren am
besten geeignet sind?
Gehen wir dieser Frage im vorliegenden Artikel genauer
nach.
Was sind Nickel-basierte Superlegierungen
Wenn wir über Nickel-basierte Superlegierungen sprechen, dann
beziehen wir uns auf besondere Materialien, die sich aus einer Nickellegierungsmatrix
zusammensetzen, der eine Reihe weiterer Legierungselemente hinzugefügt werden. Diese
Materialien weisen einen ziemlich hohen Schmelzpunkt und eine gute Oxidationsbeständigkeit
bei hohen Temperaturen auf. Diese Eigenschaften machen Nickel-Superlegierungen geeignet
für industrielle Anwendungen bei Temperaturen von 500 °C bis 1000 °C.
Die Hauptvorteile von Nickel-Superlegierungen bei hohen Temperaturen sind:
- gute mechanische Eigenschaften für kurz- und langfristige Anwendungen;
- gute Beständigkeit gegenüber heißer Oxidation (welche durch die Verwendung
geeigneter Oberflächenbeschichtungen noch gesteigert werden kann).
Im Laufe der Jahre wurden mehrere Nickel-Superlegierungen entwickelt, ausgehend
sowohl von kompositionellen als auch von mikrostrukturellen Gesichtspunkten.
- Auf kompositioneller Ebene weisen die neuesten Legierungen weniger Chrom
und Cobalt auf, aber mehr Rhenium und Ruthenium.
- Andererseits weisen Nickel-Superlegierungen in Bezug auf den mikrostrukturellen
Aspekt eine austenitische Matrix (FCC) mit intermetallischen Ablagerungen und
einer großen Menge an Carbiden und Boriden auf.
Nickel besitzt keine hohe mechanische Festigkeit oder Formbarkeit, und genau
aus diesem Grund bestehen Nickel-Superlegierungen aus zusätzlichen metallischen
Elementen, die in der Lage sind, das Vorhandensein von Carbiden und intermetallischen
Ablagerungen zu gewährleisten, was zur Stabilität und Beständigkeit der
Legierung beiträgt. Aus diesem Grund sind Nickel-basierte Superlegierungen insbesondere
für anspruchsvolle Anwendungen geeignet, die hohe Ansprüche bezüglich mechanischer
Belastung, Temperaturen, oxidierenden Umgebungen und Kriechfestigkeit stellen.
Nickel-basierte Superlegierungen sind durch eine komplexe Zusammensetzung
gekennzeichnet. So können sie bis zu 15 unterschiedliche Elemente umfassen, und
jedes dieser Elemente verleiht der Legierung selbst ein unterschiedliche Aussehen.
Sehen wir uns die einzelnen Elemente genauer an:
- Titan/Molybdän/Wolfram (verleiht Härte für feste Lösungen)
- Mangan/Bor/Zirkonium/Silizium (blockiert die Konzentration von Unreinheiten
in den Korngrenzen)
- Aluminium/Chrom (ermöglicht die Bildung von Oxiden)
- Vanadium/Niob/Tantal (bestimmt die Bildung von Carbiden)
- Titan/Aluminium (stellt sicher, dass intermetallische Härtungsphasen gebildet
werden)
Bezüglich des letzten Punktes sei angemerkt, dass man die intermetallischen Verbindungen
durch die thermischen Behandlungen Solubilisierung und Alterung erhält, zum Beispiel:
- die ϒ1-Phase, hauptsächlich bestehend aus Nickel und anderen
Elementen, einschließlich Aluminium;
- die ϒ2-Phase, falls die Ausgangs-Nickel-Superlegierung Niob (Inconel
718) enthält.
Bei Nickel-Superlegierungen werden jedoch nicht alle Phasen positiv akzeptiert.
In der Tat gibt es einige, die als unerwünschte Elemente gelten, weil sie eher eine
Versprödung des Materials begünstigen statt einer Versteifung. Dies gilt insbesondere
für die TCP-Phasen (Topologically close-packed), die während der
Wärmebehandlung auftreten können.
Doch nun kommen wir zur entscheidenden Frage: Ist es möglich, Nickel-Superlegierungen
bei der additiven Fertigung zu verwenden?
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Additive Fertigung mit Nickel-Superlegierungen
Die additive Fertigung stellt ein innovatives industrielles
Herstellungsverfahren dar, das die Nachbildung von Komponenten mit komplexen Formen
und zugleich eine Reduzierung der notwendigen Ausgangsmaterialien ermöglicht.
Dieses Verfahren funktioniert durch die Verwendung des 3D-Drucks,
bei dem nach und nach Materialschichten aufeinander aufgebaut werden, was es ermöglicht,
Endprodukte und Komponenten mit wirklich komplexen Formen herzustellen. Der wichtigste
Vorteil der additiven Bearbeitung liegt in dem Umstand, dass schon während des Entwicklungsverfahrens
die besten Komponenten für das Endprodukt miteinander kombiniert werden können,
was bei der klassischen Methode nicht möglich ist, denn dabei muss ein einzelner
Ausgangsblock in Form gebracht werden.
Insbesondere bei 3D-Drucktechnologien
wie beim Pulverbettauftrag besteht heutzutage eine Schwierigkeit
darin, nicht-kommerzielle Legierungen auf dem Markt zu finden.
Wie ich bereits im vorigen Absatz ausgeführt habe, zeichnen sich Nickel-Superlegierungen,
insbesondere Inconel 625 und Inconel 718, durch
ihre Stabilität sowie ihre mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften
aus.
Die Superlegierungspulver, die auf kompositioneller und mikrostruktureller
Ebene so komplex sind, können unerwünschte mikrostrukturelle Eigenschaften sowie
kritische Probleme aufweisen, die sich aus der Produktion der Pulver selbst ergibt:
Porosität, Morphologie und Größe.
Um ein Endprodukt hoher Qualität zu erhalten,
ist es daher notwendig, das additive Druckverfahren über den gesamten Prozess
hinweg zu kontrollieren, beginnend bei der Produktion der verwendeten Pulver.
Doch wie alle Materialien, die im Rahmen von additiven Technologien zur Anwendung
kommen, weisen diese Pulver ebenfalls die typischen Schmelzsumpf-Spuren auf, die
während der Druckphase entstehen. Je nach Wachstumsrichtung beim 3D-Druck
können Nickel-Superlegierungs-Muster unterschiedliche metallurgische Eigenschaften
aufweisen:
- säulenförmige Körner entlang der Wachstumsrichtung der Komponente
- äquiaxiale dendritisch Körner in der orthogonalen Richtung
Während des Druckens kann aufgrund der ständigen, laserstrahlinduzierten Erhitzungs-
und schnellen Abkühlungszyklen sowie aufgrund des Vorhandenseins von Bindemittelelementen
wie zum Beispiel Niob und Molybdän in der Superlegierung selbst, das Trennverfahren
der Bindemittelelemente sowohl zur Bildung von Phasen führen, welche die Materialstärke
steigern (ϒ1 und ϒ2) als auch zu unerwünschten Phasen, die
sie ganz im Gegenteil schwächer und daher für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet
machen.
Diese Nebenwirkungen erlauben die Überleitung zu einem weiteren verwandten Thema,
das durch die Verwendung von Vakuumöfen dargestellt wird.
Vakuum-Wärmebehandlungen von Nickel-Superlegierungen
Zur Vermeidung der vorstehend genannten unerwünschten Auswirkungen sollten sorgsame
Analysen der Zusammensetzung und Menge der Phasen durchgeführt werden, damit die
Möglichkeit besteht, bei der Korrektur der Material-Mikrostruktur einzugreifen,
und zwar mittels spezieller Vakuum-Wärmebehandlungen.
Behandlungen zur Solubilisierung und Alterung müssen notwendigerweise
im Vakuum durchgeführt werden, da diese Art von Superlegierung leicht oxidierbare
Bindemittel enthält. Die Temperatur und die Dauer der Behandlung werden präzise
kontrolliert, um einen angemessenen Kompromiss zwischen der Solubilisierung der
unerwünschten Ablagerungen und dem unkontrollierten Kornwachstum zu gewährleisten.
Ein Ofen für die Vakuum-Wärmebehandlung besteht aus einer inerten,
sauerstofffreien Kammer, die mit speziellen Pumpen zur Schaffung von Tiefvakuum
und einem System zur präzisen Temperatursteuerung ausgestattet ist.
Die Behandlungen,
die im Vakuumofen durchgeführt werden, ermöglichen selbst bei „schwierigen“
Materialien eine thermische Intervention und sind im Vergleich zu herkömmlichen
Industrieöfen viel effektiver.
Komponenten, die mittels 3D-Druck hergestellt werden, und die
buchstäblich durch das Schmelzen von Pulvern mit einem Laser in einer Schutzatmosphäre
entstehen, erfordern eine Nachbearbeitung in einer kontrollierten Atmosphäre, die
nur durch Wärmebehandlungen unter Vakuum garantiert werden kann.
Sobald sie aus dem Ofen kommen, sind mittels additiver Technologie hergestellte
Komponenten gekennzeichnet durch weniger Verformungen und weniger Herstellungsmängel
und können daher umgehend in strategischen Industriesektoren zum Einsatz kommen.
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