Auswahl der HIP-Temperatur für die LPBF-Superlegierung Rene125
Die Legierung Rene125 ist eine gerichtet erstarrte Nickelbasis-Superlegierung mit exzellenten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, hervorragender Oxidationsbeständigkeit und bemerkenswerter Kriechfestigkeit. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für Hochtemperaturbauteile in der Luft- und Raumfahrt, wie beispielsweise Turbinenschaufeln. Obwohl die traditionelle gerichtete Erstarrungstechnologie (DS) Vorteile bei der Herstellung großflächiger gerichteter Kristallstrukturen bietet, ist sie kostspielig und komplex. Das Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) stellt durch hochenergetisches, punktweises Scannen mit einem Laser und extrem hohe Abkühlraten eine Alternative dar und ermöglicht die Erzeugung ähnlicher Mikrostrukturen.
Das in dieser Studie verwendete Rene125-Pulver wurde von der Truer Technology Co., Ltd. bereitgestellt. Das Pulver wurde mittels Gaszerstäubung hergestellt und wies eine Partikelgröße von 15-53 μm auf.
| SEM-Aufnahmen von Rene125-Pulver mit einer Partikelgrößenverteilung von 15–53 µm |
Experimentelle Methode:
Vor dem LPBF-Prozess wurden die Pulver 2 h lang bei 130 °C im Ofen getrocknet, um Feuchtigkeit zu entfernen und ihre Fließfähigkeit zu verbessern. Alle Proben wurden auf mittels DS präparierten Einkristallsubstraten hergestellt. Die Schichtdicke (30 μm), der Scanabstand (100 μm) und der Scanwinkel zwischen den Schichten (67°) wurden konstant gehalten. Zur Parameteroptimierung wurden verschiedene Laserleistungen (180/240/300/360 W) und Scangeschwindigkeiten (400/500/600/700/800/900 mm/s) gewählt, um die beste Kombination zu ermitteln. Für die Mikrostrukturanalyse wurden kubische Proben mit den Abmessungen 8 mm (Länge) × 8 mm (Breite) × 8 mm (Höhe) hergestellt. Zugproben mit einer Länge von 30 mm wurden parallel zur Aufbaurichtung gefertigt.
| LPBF-Probe und Baurichtung |
Die Heißisostatische Pressung (HIP) erfolgte bei einem konstanten Druck von 120 MPa unter Argonatmosphäre. Zur Behandlung der Proben wurden drei verschiedene Temperaturen gewählt: 1050 °C, 1150 °C und 1230 °C. Die Proben wurden entsprechend als HIP-1050, HIP-1150 und HIP-1230 bezeichnet. Während der HIP-Behandlung wurde die Aufheizrate auf 10 °C/min gehalten. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurde diese 3 Stunden lang isotherm gehalten und anschließend im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt.
Erstarrungsriss:
| Erstarrungsrisse an LPBF-Proben aus René 125 |
Wie frühere Untersuchungen an mittels LPBF behandelten Nickelbasis-Superlegierungen zeigen, bestehen die inneren Risse in der Originalprobe hauptsächlich aus Erstarrungsrissen. Zur Untersuchung des Rissbildungsmechanismus wurde eine Probe ausgewählt, die mit einer Laserleistung von 360 W und einer Scangeschwindigkeit von 700 mm/s hergestellt wurde. Das Mikrogefüge des typischen Erstarrungsrisses weist interkristalline Bruchmerkmale entlang der Dendritengrenzen auf. Innerhalb des Risses sind deutliche primäre Dendriten und sekundäre Dendritenarme zu erkennen.
| EPMA-Elementverteilungsbild |
Die EPMA-Ergebnisse vergleichen Risse und intakte Bereiche in der Nähe der Rissspitze. Die deutliche Entmischung von Legierungselementen (Hf, Ti, Ta) an den Korngrenzen führt zur charakteristischen glatten Erstarrungsmorphologie des Schmelzfilms. Während des schnellen Erstarrungsprozesses führt das lokale Schmelzen des niedrigschmelzenden Eutektikums an den Korngrenzen zum Aufreißen des Schmelzfilms unter thermischer Spannung. Nachfolgende thermische Zyklen durch überlappende Schmelzbäder verstärken die Rissausbreitung durch wiederholte Verflüssigungs- und Erstarrungsprozesse.
Einfluss der HIP-Temperatur auf die Mikrostrukturentwicklung:
| Mikrostruktur unter verschiedenen HIP-Temperaturen |
Die HIP-behandelten Proben wurden alle unter den optimalen Prozessparametern von 300 W/900 mm/s hergestellt. Die obige Abbildung zeigt das Mikrogefüge der Rene125-Legierung nach HIP-Behandlung bei 1050 °C, 1150 °C bzw. 1230 °C. Im Makrobereich (300 μm) weist die bei 1050 °C HIP-behandelte Probe noch einige nicht verheilte Risse und unregelmäßige Poren auf, was darauf hindeutet, dass der diffusionsgetriebene Poreneliminierungsmechanismus bei dieser Temperatur nicht ausreichend aktiviert ist. Mit steigender HIP-Temperatur auf 1150 °C nimmt die Anzahl der Poren deutlich ab, und die verbleibenden Poren sind kugelförmig (Durchmesser < 5 μm), was auf ausreichend thermische Energie für plastisches Fließen und Diffusionsschweißen schließen lässt. Nach der HIP-Behandlung bei 1230 °C erreicht die Probe eine nahezu vollständige Verdichtung, und die Poren sind vollständig eliminiert. Dies deutet darauf hin, dass Volumendiffusion und Korngrenzengleiten den Verdichtungsprozess bei hohen Temperaturen dominieren.
Die bei 1050 °C HIP behandelte Probe behält während des LPBF-Prozesses ihre säulenförmige Kornstruktur bei, obwohl an den Korngrenzen deutlich rekristallisierte Körner entstehen. Die bei 1150 °C HIP behandelte Probe zeigt eine stärkere Rekristallisation und bildet ein zweiphasiges Gefüge aus gleichachsigen Körnern und residualen säulenförmigen Körnern. Entlang der Korngrenzen sind zahlreiche weiße Ausscheidungen zu beobachten. Nach der HIP-Behandlung bei 1230 °C ist die Rekristallisation nahezu vollständig. Das Gefüge der HIP-1230-Probe wandelt sich von groben säulenförmigen Kristallen zu gleichachsigen Körnern mit geraden Korngrenzen, was mit der beschleunigten Korngrenzenwanderung bei hohen Temperaturen übereinstimmt. Die Anzahl der weißen Korngrenzenausscheidungen ist im Vergleich zur 1150 °C-Probe deutlich reduziert.
Schlussfolgerungen
Die Rissbildung in der LPBF-behandelten Rene125-Legierung ist hauptsächlich auf die Konzentration von Korngrenzenspannungen und die Ausscheidung der niedrigschmelzenden eutektischen Phase im Überlappungsbereich des Schmelzbades zurückzuführen. Eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit fördert den Übergang vom Keyhole- zum Wärmeleitungsmodus, was gerichtetes Kornwachstum begünstigt und die Rissbildung verringert.
Die HIP-Behandlung beseitigt effektiv Risse und Poren, die beim LPBF-Verfahren entstanden sind. Unter einer HIP-Temperatur von 1230 °C wird eine nahezu vollständige Verdichtung erreicht, die mit einer vollständigen Rekristallisation und einer signifikanten Reduzierung der Versetzungsdichte einhergeht.
