Laseradditive Fertigung von Ti-6Al-4V: Prozessschrittübergreifende Korrelation zwischen Einzelfaktoren und resultierenden Eigenschaften

Die Eigenschaften von laseradditiv gefertigtem Ti-6Al-4V bieten ein großes Potential auch für Strukturbauteile, welche hohen Belastungen ausgesetzt werden. Bisher wird dieses Potential allerdings nicht vollends ausgeschöpft und die Möglichkeiten zur mikrostrukturellen Modifikation während der laseradditiven Fertigung nur unzureichend betrachtet. In Kombination mit nachgelagerten Prozessschritten wie dem heiß-isostatischen Pressen ergibt sich ein grundlegender Forschungsbedarf um Phasenumwandlungsprozesse, Texturen und Phasenmorphologien prozessschrittübergreifend gezielt zur Eigenschaftseinstellung einsetzen zu können.
In dieser Arbeit wird über die Variation der Prozessparameter in der laseradditiven Fertigung gezielt die Mikrostruktur von Ti-6Al-4V modifiziert und die Wechselwirkungen mit einem angeschlossenen heiß-isostatischen Pressen systematisch untersucht. Die hochkomplexe thermische Historie der Bauteile, resultierend aus der über den Laser eingebrachten Energie welche maßgeblich über das umgeschmolzene Material abgeführt wird, kann hier mikrostrukturelle Änderungen bewirken. Auswirkungen solcher thermischen Prozesse können auch über geometrisch bedingte Wärmestauzonen sowie über Änderungen in den Schichtzeiten verstärkt werden. Ein besonderer Fokus wird in dieser Arbeit auf die prozessschrittübergreifenden mechanischen Eigenschaften gelegt. Durch umfassende Analysen lässt sich ein detailliertes Verständnis im Zusammenspiel der einzelnen Prozessschritte gewinnen.
Insgesamt werden fünf grundlegende Mechanismen prozessschrittübergreifend betrachtet und ihre Auswirkungen auf die resultierenden Bauteileigenschaften im Zug- und Kerbschlagbiegeversuch sowie der erreichbaren Härte untersucht. Dies umfasst die globale Textur, die Phasenzusammensetzung, die Morphologie der α-Phase, die Legierungszusammensetzung und Effekte beim Verschließen von Defekten. Während zumeist ein kolumnares β-Kornwachstum anisotrope Eigenschaften von laseradditiv gefertigtem Ti-6Al-4V bedingt, können geringe volumetrische Energiedichten eine epitaktische Rekristallisation der β-Körner ermöglichen, wodurch bereits im gedruckten Zustand nahezu texturlose Bauteile herstellbar sind. In Kombination mit dem heiß-isostatischen Pressen ergeben sich ausgewogene Festigkeiten, Bruchdehnungen und sehr hohe Kerbschlagzähigkeiten. Eine ausgeprägte Textur bedingt zwar eine Anisotropie, kann aber eine hohe erreichbare Duktilität ermöglichen. Die in-situ Auflösung des α‘-Martensits in α+β-Gefüge bedingt einerseits Änderungen in der α-Morphologie und andererseits eine Verschiebung der Auflösungstemperatur der α-Phase bei angeschlossenen Wärmebehandlungen. Reduzierte Abkühlraten und erhöhte Bauteiltemperaturen in der laseradditiven Fertigung können weiter eine Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff bedingen, wodurch eine Mischkristallverfestigung der α-Phase und eine Verfestigung der β-Phase über sekundäre α-Ausscheidungen ermöglicht wird. Insgesamt lässt sich die Streckgrenze prozessschrittübergreifend um bis zu 36 % steigern. Die Bandbreite einstellbarer Eigenschaften, welche in dieser Arbeit aufgezeigt werden, weist darüber hinaus ein großes Potential für künftig lokal gradierte Mikrostrukturen auf.