Published on 11/15/2018
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Additive Fertigung mit Nickel-Superlegierungen

Additive Fertigung mit Nickel-Superlegierungen

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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