Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von Werkstoffgefüge und Eigenschaften durch bewusste Einstellung einer hohen Porosität im Hülle-Kern Konzept mit PBF-LB und HIP

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anke Kaletsch
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431968665

Das Pulverbettschmelzen mit Laserstrahl (PBF-LB) ist eines der am häufigsten verwendeten Additiven Fertigungsverfahren. Dennoch werden PBF-LB gefertigte Teile in vielen Bereichen noch nicht eingesetzt und die Serientauglichkeit ist oft eingeschränkt, weil die Aufbaurate für hohe Stückzahlen bzw. große Bauteile noch nicht wirtschaftlich ist. Gleichzeitig ist die Zuverlässigkeit der gefertigten Bauteile aufgrund innerer Defekte und anisotroper Gefüge oft nicht ausreichend. Eine gängige Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile ist das heißisostatische Nachverdichten. Einige neuere Forschungsarbeiten zielen darauf ab, bei der Verwendung einer HIP Nachverdichtung, PBF-LB Proben mit hoher Porosität zu verdichten, da sich der PBF-LB Prozess beschleunigen lässt, wenn Proben mit geringerer Qualität/Dichte gefertigt werden. Um hochporöse Proben mit HIP verdichten zu können, muss im Prozess eine dichte Hülle um den porösen Kern gebaut werden; daher werden diese Ansätze in der Regel als Hülle-Kern Konzept bezeichnet. Das hier beantragte Forschungsvorhaben basiert auf der Idee, dass sich durch das Hülle-Kern Konzept mit anschließendem HIP-Verdichten nicht nur der PBF-LB Prozess beschleunigen lässt, sondern das Werkstoffgefüge und die mechanischen Eigenschaften durch Porosität vor HIP gezielt beeinflusst werden können. Generell kann bei einer hohen Porosität der PBF-LB-Proben nach HIP eine Kornfeinung im Vergleich zu volldicht gebauten Proben beobachtet werden. Die Gründe sind bislang nicht umfassend verstanden. Da je nach PBF-LB Scanstrategie verschiedene Arten von Porosität auftreten, werden in der Literatur unterschiedliche Mechanismen diskutiert, die für die Kornfeinung verantwortlich sein können. Das hier beantragten Vorhaben hat zum Ziel, die verschiedenen Mechanismen zu verstehen, um mit diesem Wissen Werkstoffgefüge (ortsabhängig) gezielt einstellen zu können. Gleichzeitig wird der Einfluss von hohen Mengen verdichtetem Argon auf Gefüge und Eigenschaften untersucht. Es ist bekannt, dass Argon keine Löslichkeit im metallischen Kristallgitter besitzt und dadurch nach HIP in hochkomprimierten Poren im Werkstoff verbleibt. Bei einer Wärmebehandlung im Anschluss an das HIP-Verdichten kommt es zur Expansion des Argons, was entweder zum Wachstum verdichteter Poren oder sogar zu einer direkten Schädigung des Werkstoffs führt. Beides wirkt sich nachweislich negativ auf die Dauerfestigkeit aus. Neue HIP Anlagen sind mit Schnellkühlungen ausgestattet und daher in der Lage die Wärmebehandlung direkt unter Druck durchzuführen. Dadurch wird eine Expansion des Argons verhindert und das Gas verbleibt hochkomprimiert im Werkstoff. Ob diese hochverdichteten Ar-Poren ab einer hinreichend großen Menge das Gefüge lokal beeinflussen oder zu Eigenspannungen im Werkstoff führen, soll innerhalb des Projektes ebenfalls untersucht werden. Außerdem findet der Einfluss von Oxiden in Verbindung mit Porosität besondere Betrachtung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen