Materialuntersuchungen an additiv gefertigten Proben aus Ti-6Al-4V: Einflüsse der Pulverwiederverwendung

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es, einerseits die Auswirkungen der internen Parameter (Hatchabstand, Laserleistung und Lasergeschwindigkeit) sowie der externen Parameter (Schichtdicke und Gasstromgeschwindigkeit) bei der additiven Fertigung von Ti-6Al-4V-Proben auf deren Materialeigenschaften zu betrachten. Ein weiterer Schwerpunkt bildete die Betrachtung der Pulveralterung bei der Wiederverwendung des gewählten Ti-6Al-4V-Pulvers und dessen Einfluss auf die Proben. Dafür wurden insgesamt zehn Baujobs in sieben Zyklen gebaut. Der erste Baujob eines jeden Zyklus wurde mit denselben Parametern und Baubedingungen (δ = 30 μm; vG = 12 m*s-1) hergestellt. Wenn mehrere Baujobs pro Zyklus gefertigt werden konnten, wurden externe sowie interne Parameter variiert, damit deren Einflüsse ebenfalls untersucht werden konnten. Zum einen wurden Untersuchungen zur Pulveralterung durchgeführt, welche die Analyse des Sauerstoff- und Stickstoffgehaltes in Pulver- und Vollkörperproben, Dichtemessungen sowie die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften im Kerbschlagbiegeversuch umfassen. Ausgewählte Pulver- und Würfelproben wurden unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Zum anderen wurden diese Untersuchungen auch herangezogen, um die Auswirkungen der externen Parameter auf die Bauteileigenschaften zu ermitteln. Eine Alterung des Pulvers im Verlauf der Baudurchgänge ließ sich durch Sauerstoff- und Stickstoffmessungen nicht direkt nachweisen. Allerdings wurden steigende Stickstoff- und Sauerstoffwerte in den Festkörperproben beobachtet. Des Weiteren trägt eine niedrigere Gasstromgeschwindigkeit von 6 m*s-1 im Vergleich zu 12 m*s-1 im Bauraum zu höheren Porositätswerten sowie schlechtere Oberflächenbeschaffenheiten der Proben bei. Auch die höhere Schichtdicke von 60 μm führt zu diesen unerwünschten Eigenschaften. Vor allem führt dabei eine Kombination dieser Baubedingungen zu einem starken Abfall der Probenqualität hinsichtlich ihrer Porosität. Des Weiteren wurde eine Positionsabhängigkeit der Spatterpartikel festgestellt. Proben die ganz rechts auf der Bauplatte stehen, werden kaum bis gar nicht von Spattern betroffen, da der Schutzgasstrom die Partikel schnell genug wegtransportiert. Allerdings landen dennoch Spatterpartikel auf der Bauplatte und auf den Proben, da der Gasstrom diese nicht ausreichend entfernt. Außerdem zeigen die REM-Untersuchungen sowie die Auswertung der erfassten Pulvermassen, dass die Aufbereitung durch die Siebstation einerseits dazu führt, dass die großen, für LPBF untauglichen Partikel ausreichend entfernt werden. Allerdings wird auch viel Pulver, welches eigentlich noch wiederverwendet werden könnte, herausgesiebt. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Geometrien der CHARPY-Proben teilweise starke Abweichungen aufweisen. Daher konnten die Kerbschlagbiegeversuche nicht streng normgerecht durchgeführt werden. Allerdings sind die Proben untereinander gut vergleichbar. Und es sind fallende Trends mit der steigenden Pulverwiederverwendung zu erkennen, welche ebenfalls auf eine Pulveralterung hindeuten.