Selektives Laserstrahlschmelzen von Titanaluminiden und Stahl

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I