Einfluss der Geometrie auf die Eigenschaften der mittels pulverbettbasierten Laserschmelzen gefertigten Legierung Ti-6Al-4V

Kurzfassung

Das additive Fertigungsverfahren „pulverbettbasiertes Laserschmelzen“ bzw. alternativ „Laser Powder Bed Fusion“ (LPBF) genannt erlaubt die Herstellung von geometrisch hochkomplexen Strukturen aus metallischen Werkstoffen. Aus der Legierung Ti-6Al-4V können unter Nutzung der hohen Designfreiheit des LPBF Bauteile mit hohem Leichtbaugrad realisiert werden. Die Mikrostruktur und damit auch die mechanischen Eigenschaften LPBF-gefertigter Bauteile werden von den thermischen Bedingungen im Verlauf des additiven Aufbauprozesses (thermische Historie) definiert, die wiederum von der örtlichen Bauteilgeometrie abhängig sind. Geometrisch komplex geformte Bauteile weisen demzufolge örtlich inhomogene Werkstoffeigenschaften auf, was im Konflikt dazu steht, dass Werkstoffcharakterisierungen oftmals anhand geometrisch primitiver Körper durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Geometrieeinfluss auf die Werkstoffeigenschaften beim LPBF von Ti-6Al-4V umfassend untersucht. Dabei wird mit dem β-Phasenanteil eine repräsentative Bewertungsgröße der Mikrostruktur zur Quantifizierung eingesetzt, die einerseits abhängig von der thermischen Historie ist und andererseits die mechanischen Eigenschaften definiert. Untersuchungen der α-Lamellenbreite, Zugfestigkeit und Ermüdungslebensdauer ergänzen die Charakterisierung. Als Ursache für heterogene Mikrostrukturen aufgrund lokal inhomogener thermischer Historie beim LPBF von Ti-6Al-4V werden in der vorliegenden Arbeit die folgenden Wirkmechanismen beschrieben: Erstens die intrinsische Wärmebehandlung (IHT), also der thermische Einfluss der Folgeschichten oberhalb des untersuchten Probenbereichs und zweitens die reduzierte Abkühlrate bei Entstehung des untersuchten Bereichs und in den unmittelbar nachfolgenden thermischen Zyklen der angrenzenden Folgeschichten. Die Wirkmechanismen werden mithilfe einer Fallunterscheidung jeweils einzeln anhand von Proben untersucht, die jeweils ohne Einwirkung des anderen Wirkmechanismus gefertigt werden. Gegenüberstellungen der β-Morphologie mit der Literatur bestätigen dabei jeweils die einzelnen Wirkmechanismen. Um die thermischen Historien der variierten Probengeometrien zu bestimmen, werden thermische finite Elemente Simulationen des LPBF-Prozesses nach Super-Layer-Ansatz durchgeführt, bei dem mehrere reale Schichten zu einer simulierten Schicht zusammengefasst werden. Zur Charakterisierung der Wirkmechanismen werden zwei simulative Kennwerte definiert: Die Haltedauer Δt_IHT als Kriterium der intrinsischen Wärmebehandlung sowie die Abkühlkonstante k als Kriterium der reduzierten Abkühlrate. Der Kennwert Δt_IHT ist für den Großteil der untersuchten Probengeometrien geeignet, um das Auftreten von intrinsischer Wärmebehandlung vorherzusagen. Zur Bewertung der reduzierten Abkühlrate eignet sich k für alle untersuchten Probengeometrien, um die Existenz der β-Phase vorherzusagen. Die Schichtzwischenzeit stellt das Zeitintervall dar, welches zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten vergeht. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass bei Reduzierung der Schichtzwischenzeit der Geometrieeinfluss stärker wird. Der Wirkmechanismus der reduzierten Abkühlrate wird dabei nur bei Schichtzwischenzeiten von weniger als 28 s beobachtet, wohingegen die intrinsische Wärmebehandlung auch noch bei erhöhten Schichtzwischenzeiten von ca. 45 s identifiziert wird. Zur Untersuchung des thermischen Einflusses von angrenzenden Folgeschichten oberhalb des Untersuchungspunktes wurden Proben mit variierter Anzahl von Folgeschichten analysiert. Dabei wurde ein lokales Maximum des β-Phasenanteils und der α-Lamellenbreite bei Proben mit einer einzelnen Folgeschicht oberhalb des Untersuchungspunktes identifiziert. Diese Beobachtung wurde damit erklärt, dass bei einer Folgeschicht die Abkühlrate im relevanten Temperaturbereich ab β-Transustemperatur am stärksten reduziert ist. Die beobachtete Morphologie der α-Lamellen bestätigt dabei die Dominanz der reduzierten Abkühlrate gegenüber der intrinsischen Wärmebehandlung. Ab einer Aufsatzhöhe von 0,6 mm (zehn Folgeschichten) wird ein erneuter Anstieg des β-Phasenanteils und der α-Lamellenbreite identifiziert, was mit dem Einfluss der intrinsischen Wärmebehandlung begründet wird. Auch auf die mechanischen Eigenschaften ist ein Geometrieeinfluss vorhanden. Proben mit schnellerem Anstieg der Belichtungsflächen in Aufbaurichtung sind durch einen Festigkeitsabfall sowohl unter statischer (Zugfestigkeit) als auch unter dynamischer Belastung (Ermüdungslebensdauer) gekennzeichnet. Dabei ist der Geometrieeinfluss auf die Zugfestigkeit selbst bei hohen Schichtzwischenzeiten von mehr als 75 s vorhanden. Um den Geometrieeinfluss vorhersagbar zu machen, wurde für die variierten Probengeometrien mittels multipler linearer Regression ein Korrelationsmodell zwischen dem β-Phasenanteil bzw. der Zugfestigkeit und den simulierten thermischen Historien aufgestellt. Die thermische Historie wurde dabei in Form von Partitionen der integrierten Zeit-Temperatur-Kurve diskretisiert. Ein korrigiertes Bestimmtheitsmaß von 99,8% für die Vorhersage des β-Phasenanteils bzw. von 89,6% für die Vorhersage der Zugfestigkeit zeigen das Potenzial des Ansatzes auf. Zusammenfassend wird festgestellt, dass in der vorliegenden Arbeit zum einen das Verständnis der Wirkmechanismen des Geometrieeinflusses beim LPBF gesteigert wurde. Weiterhin wurde erstmalig gezeigt, wie auf Bauteilebene anwendbare Simulationen eingesetzt werden können, um relevante Mikrostruktureigenschaften im LPBF von Ti-6Al-4V vorherzusagen.