ROBUST

Crack-free laser-based powder bed fusion of nickel-based alloys by intrinsic heat treatment

Angesichts der aktuell steigenden Herausforderungen im Bereich der klimaneutralen Energieversorgung sowie effizienterer Mobilität in der Luft- und Raumfahrt kommt der Erforschung neuartiger Herstellungsverfahren und Materialien eine große Bedeutung zu. Mit dem PBF-LB/M-Verfahren (engl.: Laser-based Powder Bed Fusion of Metals) lassen sich bereits jetzt hochkomplexe Teile herstellen. Generell können mittels PBF-LB/M alle schweißbaren Legierungen verarbeitet werden. Auch einige schwer zerspanbare Werkstoffe, wie Nickelbasislegierungen sind mittels PBF-LB/M verarbeitbar, was gerade im Energie- und Raumfahrtsektor vorteilhaft ist, aufgrund der geringen Stückzahlen sowie der notwendigen hohen mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Ein sehr interessanter Kandidat im Hinblick auf seine Einsatztemperatur von bis zu 800 °C ist die Legierung Inconel 738 (IN738), die allerdings der Kategorie der schwer schweißbaren Werkstoffe zugeordnet wird, da sie zu Heißrissen neigt. In der Literatur beschriebene Konzepte zur Verarbeitung von IN738 im PBF-LB/M Verfahren lassen sich in Konzepte zur lokalen Änderung des Energieeintrags sowie zur globale Vorwärmung unterteilen. Die Verwendung von gepulsten Belichtungsstrategien und damit einer lokalen Änderung des Energieeintrags können zu einem ungenügenden Verschmelzen des Pulvers führen und somit zu Fehlstellen. Ein globales Vorheizen der Bauplattform auf 1000 °C ist nicht ressourceneffizient und für große Bauteile nicht anwendbar.

Das Ziel des ROBUST-Projekts ist es, die thermischen Bedingungen, die zu Rissen führen, grundlegend zu verstehen und den thermischen Haushalt während der Verarbeitung lokal maßzuschneidern, um schließlich komplexe rissfreie Teile aus IN738 herzustellen. Der ROBUST-Ansatz besteht darin, durch Anpassung des Energieeintrags mithilfe von verschiedenen Prozessstrategien den Werkstoff mit PBF-LB/M Verfahren zu verarbeiten. Laserstrahloszillation kann den thermischen Gradienten anpassen und durch Änderung der Schmelzbaddynamik eine Kornfeinung anregen. Zusätzlich kann lokales Vor- bzw. Nachwärmen durch alternative Strahlprofile den Temperaturgradienten reduzieren und so dazu beitragen Heißrisse zu vermeiden. Um den Temperaturhaushalt auf die Geometrie und somit geänderte Vorheizbedingungen anzupassen, wird die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene über unterschiedliche Ring-Kern-Verteilungen verändert. Diese In-situ-Wärmebehandlung wird zu dichten und rissfreien komplexen Teilen für neuartige Anwendungen führen, was an einem Demonstrator bewiesen wird. Dieser lokale Ansatz verspricht im Vergleich zu den anderen beschriebenen Konzepten ressourcenschonend zu sein und dennoch zu rissfreien und dichten Bauteilen zu führen.

Leitung des Forschungsprojekts

• Katrin Wudy
• Mikkel Pedersen

Forschende

• Jonas Grünewald
• Alper Evirgen
• Ehemalige: Laura-Marie Müller