Suspensionsbasiertes in-situ Nachlegieren metallischer Werkstoffe während des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens

Abstract

In der additiven Fertigung metallischer Werkstoffe werden Bauteile zumeist schichtweise aus einem dreidimensionalen Datensatz erzeugt. Dabei wird vor allem von der Möglichkeit profitiert, hochkomplexe Geometrien fertigen zu können, die über die Grenzen konventioneller Fertigungstechnologien hinausgehen. Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (engl. powder bed fusion of metal with laser beam, PBF-LB/M) ist eines der heutzutage am häufigsten industriell eingesetzten Verfahren der additiven Fertigung, in dem einzelne Volumenelemente mit Hilfe einer hochenergetischen Laserquelle sukzessive umgeschmolzen werden. Mit diesem selektiven und schichtweisen Vorgehen entsteht aus einem metallischen Pulver ein nahezu anwendungsfertiges Bauteil. Diese große Individualität des Prozesses ermöglicht neben der Herstellung hochkomplexer Strukturen die einmalige Chance der graduellen Gestaltung des metallischen Gefüges. In vorliegender Arbeit wurde ein Verfahren zur dreidimensionalen Gradierung entwickelt, das vorliegende Herausforderungen zur Gradierung metallischer Werkstoffe adressiert und die bestehenden Ansätze um eine innovative Methode erweitert. Das in-situ Nachlegieren basiert auf der feindosierten Applikation einer Suspension auf Bereiche innerhalb einzelner Schichten des metallischen Bauteils. Das in der Suspension dispergierte Legierungselement ermöglicht in Folge des Umschmelzvorgangs eine hochpräzise und lokal begrenzte Modifizierung der zugrundeliegenden Mikrostruktur. Am Beispiel eines ferritischen Edelstahls ermöglichte die Integration eines Dosiersystems in eine PBF-LB/M Anlage sowohl die lokale, als auch die homogene Erhöhung des Kohlenstoffgehalts. Dazu wurde eine über einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden stabile Suspension einer Kohlenstoffkonzentration von 2,5 Gew. % formuliert. Unter Verwendung des kommerziellen Dosiersystems konnte das Fluid durch Ausbildung eines Dosierstrahls präzise und reproduzierbar in feinjustierbaren Volumina appliziert werden. Anhand spektroskopischer Analysemethoden, elektronenmikroskopischen Bildgebungen und Mikrohärteprüfungen konnte anschließend die lokale Veränderung des ferritischen Ausgangsgefüges bestätigt und eine zielgenaue Gradierung der Mikrohärte erreicht werden.