Additive Fertigung komplexer refraktärmetallischer Legierungen für Raumfahrtanwendungen

Abstract

Komplexe refraktärmetallische Legierungen, kurz rCCAs, sind Multikomponentenlegierungen, die zunehmend für den Einsatz in Bauteilen für Hochtemperatur-Anwendungen erforscht werden. Die Materialien und fertigungstechnische Möglichkeiten werden fortlaufend weiterentwickelt. Eine Möglichkeit zur Verarbeitung solcher Stoffsysteme bietet die additive Fertigung mittels pulverbettbasiertem Laserschmelzen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, unter welchen Voraussetzungen sich eine NbTa-basierte refraktärmetallische rCCA additiv verarbeiten lässt. Die Legierung, welche mittels thermodynamischer Berechnungen ausgelegt worden ist, stand für die Untersuchungen als vorlegiertes Pulver in geringen Mengen zur Verfügung. Es wurden Pulverfördersysteme entwickelt, die die Verarbeitung kleiner Pulvermengen ermöglichen. Für die Analyse der Werkstoffeigenschaften wurden die Proben metallografisch präpariert, archimedische Dichtebestimmungen, licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen sowie EDX-, XRD- und EBSD-Messungen durchgeführt. In iterativen Schritten wurden die Parameter im PBF-LB-Prozess näherungsweise optimiert. Der in diesen Prozessen hergestellte Werkstoff wies eine überwiegend einphasige Mikrostruktur auf und zeigte interdendritische Segregationen mit höheren Konzentrationen leichterer Elemente sowie intra- und intergranularen Nanoporen. Bei Raumtemperatur gefertigte Erzeugnisse wiesen zudem auch nach Parameteranpassung hohe Rissdichten auf. Diese konnten bei Hochtemperaturversuchen bei bis zu 1200°C auf etwa 1 mm/mm² reduziert werden. Allerdings wurden bei Prozessen mit derart hohen Temperaturen Ausscheidungen detektiert, bei denen es sich vermutlich um TiN handelt. Schlussfolgernd wird eine kompositionelle Anpassung des Stoffsystems empfohlen, bei der eine höhere Duktilität in Verbindung mit einer Reduzierung des Erstarrungsintervalls eingestellt wird.