Ultrafein-eutektische Ti-basierte Legierungen für die additive Fertigung

Kurzfassung

Wir entwickeln zurzeit neuartige hochfeste Legierungen mit ultrafeinen eutektischen Mikrostrukturen für die additive Fertigung (AM), um die Leistungsfähigkeit von Verdichterrädern zu steigern. Duch die hohen Erstarrungs- und Abkühlraten bei AM, und besonders beim selektiven Laserschmelzen (SLM), können erhebliche kornfeinungsbedingte Festigkeitssteigerungen erreicht werden. Im Rahmen der Materialentwicklung wurden mehrere Ti-basierte eutektische und hypoeutektische Legierungen (Ti-32Fe, Ti-28Fe-9Sn-5Nb, Ti-26Fe-4Sn-2.5Nb and Ti-21Fe-7Sn-4Nb, Gew.-%) mit SLM verarbeitet. Dabei wurden sowohl Probekörper für metallographische und werkstoffmechanische Untersuchungen, als auch Verdichteräder als Demonstratoren hergestellt. Die Mikrostrukturen wurden insbesondere mit Synchrotron Röntgenbeugung (SXRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und ptychographischer Röntgencomputertomographie (PXCT) charakterisiert. In-situ-Druckversuche wurden in einem Umformdilatometer, bei gleichzeitiger Durchstrahlung des Prüfbereiches mit hochenergetischer Röntgenstrahlung durchgeführt, um mittels SXRD die Umformechanismen bei Raumtemperatur, 300 °C, 450 °C und 600 °C zu untersuchen. Bei deutlich erhöhten Bauraumtemperaturen konnten rissfreie Proben aller untersuchter Legierungen hergestellt werden. Die Materialien wiesen, je nach Legierungszusammensetzung, Vorwärmtemperatur und Laserparameter, mehrphasige Mikrostrukturen auf, mit Bestandteilen unterschiedlicher Längenskalen, welche teilweise als Dendriten oder lamellare Strukturen vorlagen. Die Druckversuche zeigten, dass Festigkeiten über 2000 MPa erreicht werden können. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen ist plastische Verformung mit Bruchdehungen über 10% nachweisbar. Ti-basierte ultrafeine eutektische Legierungen können somit bei stark erhöhten Vorheiztemperaturen mittels SLM verarbeitet werden. Allerdings muss sehr auf eine hochreine Schutzgasatmosphäre geachtet werden, um Sauerstoffaufnahme und Materialversprödung zu vermeiden.