- GND
- 129206904X
- GND
- 1138942715
- LSF ID
- 1014
- Sonstiges
- der Hochschule zugeordnete*r Autor*in
Abstract in Deutsch:
Das pulverbettbasierte Laserschmelzverfahren von metallischem Pulvermaterial (PBF-LB/M) bietet durch den schichtweisen Aufbau die Umsetzung von Funktionsbauweisen, die mit konventionellen Urformverfahren nicht bzw. sehr aufwendig herstellbar sind. Allerdings ist das PBF-LB auf schweißbare Werkstofflegierungen durch deren Ähnlichkeit zum Schweißverfahren beschränkt. Insbesondere im Bereich der Nickelbasis-Superlegierungen sind zahlreiche Legierungsgruppen vorhanden, die hervorragende Temperaturbeständigkeit aufweisen, aber durch deren Anfälligkeit für Heißrisse als schwer schweißbar gelten. Die γ′-ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierungen gehören zu dieser Gruppe von Hochtemperaturlegierungen, die kurzzeitig maximale Einsatztemperaturen bis zu 1.000 °C bei vorliegenden Betriebsspannungen in einem Flugzeugtriebwerk ertragen können. Die vorliegende Arbeit untersucht ein bewegliches, lokales Heizsystem, das auf elektromagnetischer Induktion beruht und durch die Vorwärmung des Substrats bzw. der aufgebauten Bauteilschichten zur Reduktion von thermischen Gradienten während dem PBF-LB-Prozess dient. Dies soll die defektfreie Verarbeitung der schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierung Pearl® Micro 247LC, ein Derivat der bekannten γ′-ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierung CM247LC mit dem PBF-LB ermöglichen. Die Besonderheit des Heizsystems ist dessen lokaler und zugleich globaler Heizcharakter sowie die Beweglichkeit der implementierten Induktoren oberhalb der Bauebene. Die Voruntersuchungen am kombinierten System, bestehend aus der beweglichen Heizvorrichtung und PBF-LB zeigen, dass erhebliche Erwärmungszeiten des Substrats bis zum Erreichen einer adäquaten Substrattemperatur notwendig sind (heizprozessbedingte Zeit) und weiterhin eine hohe Rissbildung besteht. Ausgehend vom Konzept der Steuerung des Wärmehaushalts des Belichtungsbereichs vor,während und nach dem Lasereingriff werden systemseitig technische Verbesserungsmaßnahmen entwickelt, deren Ziel die maximale Ausnutzung der elektromagnetischen Induktion für ein möglichst effizientes, bewegliches Heizsystem ist. Dabei konnte durch die Implementierung der technischen Maßnahmen die heizprozessbedingte Zeit für das Erreichen der Substrattemperatur von 1.100 °C um 50 % und die normierte, flächenbezogene Risslänge um 18 % ggü. den ermittelten Versuchsdaten des Heizsystems ohne Verbesserungsmaßnahmen bei gleicher Substrattemperatur reduziert werden. In diesem Zusammenhang stellt sich die Substrattemperatur als ein wichtiger Parameter dar, der durch die vorherrschenden thermischen Bedingungen des beweglichen, lokalen Heizsystems bestimmt wird und parallel die Defektbildung während des PBF-LB-Prozesses beeinflusst. Dabei zeigten die Untersuchungen mit zunehmender Substrattemperatur > 950 °C und etablierten Volumenenergiedichten an einfachen Probekörpern eine Reduktion der normierten, flä chenbezogenen Risslänge, während die Porosität mit zunehmender Substrattemperatur > 1.000 °C stetig ansteigt. Die Versuche beschränkten sich auf die Variation der zwei PBF-LB-Parameter Laserleistung und Scangeschwindigkeit in einem definierten Referenzbereichs, während der Hatchabstand, die Schichtdicke sowie die Parameter der angewendeten Streifenbelichtung konstant blieben. Dieses festgelegte Prozessfenster reduzierte die Einflussnahme der Volumenenergiedichten auf die Rissbildung und begrenzte auch die weitere Senkung der Rissbildung bei einer Substrattemperatur von 1.100 °C. Somit konnte festgestellt werden, dass das Prozessfenster um den Hatchabstand und ggf. weitere PBF-LB-Parameter ergänzt werden muss. Zusätzlich war die weitere Senkung der Rissbildung mit zunehmender Substrattemperatur durch vorhandene lokale, thermische Spannungen limitiert, die in den Untersuchungen bis zu 44 % der Zugfestigkeit der artgleichen Legierung MAR-M247® betrugen und somit die Rissinitiierung und 3Bildung begünstigten. Diese thermischen Spannungen sind durch die kurzzeitige und kontinuierliche Bewegung des Heizsystems zur Positionierung zwischen der Heiz- und Belichtungsphase verursacht, die im Rahmen der technischen Verbesserungsmaßnahmen eingeführt wurde. Abschließend wurde ein ausgewählter PBF-LB-Parametersatz mit dem optimierten lokalen Heizsystem auf eine Schaufelgeometrie mit einer veränderlichen dünn-dick-Struktur angewendet, um deren Einfluss auf die Rissbildung zu untersuchen. Dabei zeigten sich innerhalb der dünnen Bauteilstrukturen keine Rissbildung, während in wesentlich dickeren Bauteilbereichen eine hohe Rissneigung auftrat. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die lokalen Spannungen, bedingt durch die Bauteilgeometrie und der thermisch vorherrschenden Randbedingungen, die durch die Interaktion des PBF-LB und dem beweglichen, lokalen Heizsystems erzeugt wurden, nicht ausreichend reduziert werden konnten, um die Rissbildung unabhängig von der vorliegenden Bauteilstruktur zu unterdrücken.
Abstract in Englisch:
Due its layer‑by‑layer built-up the laser powder bed fusion process of metal powder (PBF-LB/M) enables the functional integration of features in components that would be difficult or impossible with a conventional manufacturing process. Nevertheless, the PBF‑LB/M is limited by the application to materials and alloys, which are weldable. In particular, for the class of nickel-based superalloys, there are several groups of alloys on the market which show an outstanding mechanical behavior for high operation temperatures, but these alloys are well-known for their susceptibility to hot cracking during the welding process. The gamma prime γ′‑precipitation hardened nickel-based superalloys belong to this group of high temperature alloys that can maintain their mechanical performance in aircraft engines to maximum operation temperatures to 1,000 °C. This thesis examines a movable, local heating system which is based on electromagnetic induction and reduces the thermal gradients in the material prior, during and after the PBF‑LB‑process by heating the substrate or the built‑up part layers. This enables the defect-free manufacturing of the difficult-to-weld nickel-based superalloy Pearl® Micro 247LC, a derivative of the well‑known CM247LC by the PBF-LB. The defining feature of this heating system is a local as well as a global heating behavior and inductors, which can be moved closely above the active area. Some preliminary studies, conducted on the combined system, consisting of the movable, local heating system and the PBF‑LB show a significant heating time of the substrate to achieve the defined base temperature (heating‑related time), while still a highly crack formation is still high. Starting from a concept of controlling the thermal heat balance of the local exposure area prior, during and after the laser exposure, some system‑related technical measurements are developed to maximize the electromagnetic induction suitable for a highly efficient, movable heating system. The results show that the implementation of these technical measurements reduce the heating‑related processing for reaching the substrate temperature of 1,100 °C to 50 % as well as the mean size of the standardized, area‑related crack length to 18 %, compared to the results of the previous studies without these improvements. In this context, the substrate temperature is shown to be an important parameter for the prevailing thermal conditions of the movable, local heating system and in addition the defect formation during the PBF‑LB‑process is improved. As a result, a reduction of the mean size of the standardized, area‑related crack length on simple test samples by increasing the substrate temperature > 950 °C could be demonstrated, while the porosity increased continuously with rising the substrate temperature above 1,000 °C. The tests were performed by variation of laser power as well as scan speed in a defined reference range, while hatch distance, layer thickness as well as parameters for the applied stripe scanning strategy were kept unchanged. Keeping the latter parameters fixed reduced the impact of the volumetric energy density on the crack formation and also limited the further decrease of the crack formation at a substrate temperature of 1,100 °C. Therefore, the hatch distance and possibly also further PBF‑LB‑parameters should be added to the examined parameters in future studies. Additionally, the limited improvements on crack formation could be traced back to the generated local thermal stresses by an increased substrate temperature. These stresses can reach to 44% of the tensile strength of the originated alloy MAR‑M247®, which promotes crack initiation and formation. The cause of these thermal stresses is short‑term heating due to the continuously moving inductors for positioning between the heating and exposure phase that were introduced during the technical measurements. Finally, a selected PBF-LB-parameter set, combined with the optimized local heating system was applied to a vane segment geometry, which consists of a thin‑thick‑structure to investigate their impact on the crack formation. The results showed that within the thin part structures no cracks were observed, while within the thick structures a high crack formation could be detected. This shows that the local stresses, caused by the part geometry as well as the dominating thermal boundary conditions, which are generated by the interaction between the PBF‑LB and the movable, local heating system could not be reduced sufficiently to suppress the crack formation independently on the existing part geometry and structure.