Additive manufacturing of nickel-base superalloy IN738LC by laser powder bed fusion

Risse, Jeroen; Poprawe, Reinhart (Thesis advisor); Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Kurzfassung

IN738LC gehört zur Gruppe der ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierungen (γ’ Phase), welche für lasttragende Anwendungen im Heißgasbereich von Gasturbinen eingesetzt werden. Das Hauptfertigungsverfahren für diese Legierungen ist der Feinguss. Gegenwärtig ist das selektive Laserschmelzen (eng. Laser Powder Bed Fusion, LPBF) eine der verbreitetsten additiven Fertigungstechnologien für metallische Werkstoffe. Im Vergleich zum Gießen ermöglicht die schichtweise und formenlose Fertigung eine größere geometrische Komplexität bei gleichzeitig kürzerer Fertigungszeit. Angepasst für die Erstarrungsbedingungen beim Gießen, können die schnelle Erstarrung und großen thermische Gradienten beim LPBF von Nickelbasis-Superlegierungen zur Mikrorissbildung im Prozess und Makrorissbildung in der anschließenden Wärmebehandlung führen. Des Weiteren weist das Gefüge in der Regel kleine längliche Körner mit einer Vorzugsorientierung in Aufbaurichtung auf. Dies führt zu anisotropen mechanischen Eigenschaften und insbesondere einer kleineren Kriechfestigkeit im Vergleich zum Guss. Die Ziele in dieser Arbeit sind (1) die Vermeidung der Rissbildung durch die Verkleinerung der prozessinduzierten Spannungen mittels Vorwärmung von bis zu 1100°C, (2) die Erzielung einer isotropen Kornstruktur und isotroper mechanischen Eigenschaften, durch die Erzeugung einer diskontinuierlichen Erstarrungsfront mittels gepulst-modulierter Laserstrahlung, und (3) die Analyse der Mikrostrukturentwicklung entlang der Fertigungskette und Korrelation mit mechanischen Kennwerten. Die Untersuchungen erfolgen dabei am Beispiel der Legierung IN738LC. Für jede der untersuchten Fertigungsbedingungen (kontinuierliche Laserstrahlung mit und ohne Vorwärmung, gepulst-modulierte Laserstrahlung ohne Vorwärmung) können Verfahrensparameter zur Fertigung von Proben mit einem kombinierten Fehlerflächenanteil von Poren und Bindefehlern von <0.1 % bestimmt werden. Die prozessinduzierten Eigenspannungen betragen ca. 80 % der Fließspannung bis zu einer Vorwärmtemperatur von 500°C. Diese Spannungen führen in Kombination mit der Seigerung von Zirkon und Silizium zu Erstarrungsrissen, welche bei niedrigen Vorwärmtemperaturen (<600°C) nicht vollständig vermieden werden können. Die einsetzende Festkörperdiffusion bei höheren Vorwärmtemperaturen (>600°C) führt zu in-situ γ’ Ausscheidung und resultiert in Makrorissen (eng. strain age cracks) im Prozess. Ab einer Temperatur von 1050°C ist der Gleichgewichtsanteil der γ’ Phase soweit reduziert, dass die Makrorissbildung unterdrückt wird und rissfreie Proben hergestellt werden können. Darauf aufbauend wird eine super-solvus Wärmebehandlung entwickelt, welche zur Rekristallisation in Proben mit einer ausreichend hohen Versetzungsdichte (Eigenspannungen) führt. Der identifizierte Rekristallisationsmechanismus ist das Ausbeulen von Großwinkelkorngrenzen. Die Rekristallisation erfolgt homogen in Proben mit einer kleinen kristallographischen Textur (gepulst-moduliert) so dass eine isotrope Kornstruktur mit isotropen mechanischen Eigenschaften erzeugt werden kann. In Proben mit einer ausgeprägten kristallographischen Textur erfolgt eine inhomogene Rekristallisation, welche zu großen in Aufbaurichtung gestreckte Körner führt. Letztendlich ermöglichen diese großen Körner eine ähnliche Kriechfestigkeit wie beim Guss.

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