Kinetik von Ausscheidungsreaktionen während nicht-linearen Temperaturführungen in generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Laserbasierte additive Fertigung (Laser Additive Manufacturing, LAM) umfasst die schichtweise Herstellung von Bauteilen auf der Grundlage von CAD-Daten durch wiederholtes Schmelzen von Metallpulver mit einem fokussierten Laserstrahl. Die inhärente geometrische Freiheit dieser Technik ermöglicht die Herstellung komplexer und hochgradig maßgeschneiderter Komponenten. Die Nachbearbeitung, einschließlich der Wärmebehandlung, dieser Komponenten bleibt jedoch weiterhin arbeits- und kostenintensiv. Der schichtweise Herstellungsprozess führt zu einem „peakartigen“ Zeit-Temperatur-Profil, das während des LAM auftritt. Diese intrinsische Wärmebehandlung (Intrinsic Heat Treatment, IHT) kann in bestimmten Legierungen gezielt ausgenutzt werden, um Ausscheidungsreaktionen hervorzurufen, wodurch evtl. die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach dem Prozess entfällt. Diese Arbeit zielte darauf ab, wichtige Merkmale der IHT zu identifizieren und ein grundlegendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich diese auf den Fortschritt einer Ausscheidungsreaktion auswirken. Für diese Studie wurden einfache Al-Sc Modelllegierungen ausgewählt, basierend auf der schnellen Ausscheidungskinetik und der Verfügbarkeit von CALPHAD-Datenbanken. Die Verwendung von hochreinen (>99 wt.%) Al-Legierungen stellte die erste Herausforderung in dieser Arbeit dar, da Metalle mit hoher Leitfähigkeit schwierig mittels LAM verarbeitbar sind. Unter Verwendung analytischer Modelle wurde eine Routine zur Parameteroptimierung entwickelt, mit der die Tiefe von Schmelzbädern und damit ein mindest-Energieeintrag im LAM-Prozess vorhergesagt werden können. Dieser prädiktive Ansatz wurde anschließend für die Verwendung beim In-situ-Legieren während der LAM unter Verwendung von Mischungen elementarer Pulver erweitert. Nachdem geeignete Prozessparameter für die Verarbeitung der Modelllegierungen identifiziert worden waren, wurden dünnwandige Strukturen hergestellt, indem einzelne Spuren unter Verwendung von Laserauftragsschweißen (Directed Energy Deposition, DED), einer LAM-Technik, übereinander abgeschieden wurden. Wir konnten zeigen, dass die über die Aufbauhöhe variierende Abkühlrate, sowie das beschleunigend wirkende Legierungselement Silizium einen entscheidenden Einfluss auf den Fortschritt der in-situ Härtung per IHT haben. Die Prozessparameter konnten so modifiziert werden, dass ca. 90% der Maximalhärte der Legierung ohne weitere Wärmebehandlung nach dem Prozess erreicht wurde. Zusätzliche Proben wurden unter Verwendung von pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF), einer weiteren LAM-Technik, hergestellt. Während des LPBF-Prozesses werden im Vergleich zum DED höhere Abkühlraten erzielt, wodurch jegliche IHT-induzierte Ausscheidung während der LPBF-Verarbeitung vermieden wird. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen isotherm wärmebehandelt und der Ausscheidungsfortschritt wurde experimentell unter Verwendung von in-situ Kleinwinkel-Röntgenbeugung (SAXS) und ex-situ Atomsonden-tomographie (APT) gemessen. Die experimentellen Ergebnisse wurden verwendet, um ein Ausscheidungskinetik-Modell (nach Kampmann und Wagner) zu entwickeln. Die Anwendung des Modells auf synthetisch generierte peak-artige Zeit-Temperatur-Profile zeigte die relative Wichtigkeit der verschiedenen Aspekte der IHT auf den Fortschritt von Ausscheidungsreaktionen auf (Anzahl Peaks, Peakhöhe, Abkühlrate, Basistemperatur etc.). Diese Arbeit zeigt das enorme Potenzial der Verwendung von IHT während LAM-Prozessen als Ersatz für Wärmebehandlungen nach dem Prozess und stellt diejenigen Ansätze für das Legierungsund Prozessdesign vor, mit denen der Fortschritt von Ausscheidungsreaktionen während der IHT vorangetrieben werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Predictive process parameter selection for Selective Laser Melting Manufacturing: applications to high thermal conductivity alloys. Additive Manufacturing 27, 246 (2019)
P. Bajaj, J. Wright, I. Todd, E. A. Jägle
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.12.003) - Control of thermally stable core-shell nano-precipitates in additively, doi:manufactured Al–Sc–Zr alloys. Additive Manufacturing 32, 100910 (2020)
P. Kürnsteiner, P. Bajaj, A. Gupta, M. B. Wilms, A. Weisheit, X. Li, C. Leinenbach, B. Gault, E. A. Jägle, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100910) - Laser Powder-Bed Fusion as an Alloy Development Tool: Parameter Selection for In-Situ Alloying Using Elemental Powders. Materials 13, 3922 (2020)
L. Shoji Aota, P. Bajaj, H. R. Zschommler Sandim, E. A. Jägle
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma13183922) - Precipitation during Intrinsic Heat Treatment in Laser Additive Manufacturing. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2020)
P. Bajaj
(Siehe online unter https://doi.org/10.18154/RWTH-2020-10461) - Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties. Materials Science and Engineering A 772, 138633 (2020)
P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E. A. Jägle
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633) - On strong-scaling and open-source tools for analyzing atom probe tomography data. NPJ Comp. Mater. 7, 21 (2021)
M. Kühlbach, P. Bajaj, H. Zhao, M. H. Çelik, E. A. Jägle, B. Gault
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41524-020-00486-1)
