Grundlagen des Selektiven Elektronenstrahlschmelzens von Eisenaluminiden

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-12-27
Issue Year
2021
Authors
Adler, Lucas
Editor
Abstract

The Additive Manufacturing process (AM) of Selective Electron Beam Melting (SEBM) is, due to its near-net shape character, particularly suitable for materials with a poor machinability, such as iron aluminides. These materials, which belong to the class of intermetallic phases, are assigned a high potential for high-temperature applications. The reason for this is the high melting point of iron aluminides paired with their excellent resistance to oxidation. Due to the high process temperatures of SEBM, the risk of cracking, as it is the case with iron aluminides that tend to be brittle, is significantly reduced. The resulting material properties are rather determined by the remaining porosity. In the absence of a ductile response to stress concentrations, brittle intermetallic phases are predominantly affected hereby. In addition to multi-layer binding faults and single layer binding faults, which can be reliably avoided by correct melting parameters, gas pores can have a negative influence, too. Gas pores have their origin in the used gas atomized powder and their fraction is only slightly depending on the melting parameters. Neither the processing of iron aluminides via SEBM, nor an influence of the atomizing gas during powder production on the remaining gas porosity, have been investigated so far. The aim of the present work is the development of the SEBM process for iron aluminides. In addition, the influence of the atomizing gas used during powder production on said SEBM process is investigated. For this purpose, a FeAl28Ti5B1.3 alloy atomized with nitrogen and a FeAl28Ti5B0.7 alloy atomized with argon are processed via SEBM. The process windows for the generation of dense material show a direct influence of the used atomizing gas. In addition to the remaining gas porosity, its influence can also be seen in the width of the process window and the generated microstructure. The processed iron aluminides show, depending on the alloy, a coarsely or finely crystalline structure which is an effect of the underlying boron content. Via the selected melting parameters, the size of the microstructural components, as well as the chemical composition, can be influenced. The resulting mechanical properties show advantages of a fine crystalline microstructure and a reduced gas porosity. Finally, a comparison with other AM methods is carried out regarding the mechanical properties.

Abstract

Das additive Fertigungsverfahren (AM) des Selektiven Elektronenstrahlschmelzens (SEBM) eignet sich infolge seines endkonturnahen Charakters besonders für Materialien mit einer geringen Spanbarkeit, wie es zum Beispiel für Eisenaluminide der Fall ist. Diesen zu den intermetallischen Phasen gehörenden Werkstoffen wird ein hohes Potenzial für eine Anwendung im Hochtemperaturbereich zugeschrieben. Grund hierfür ist der hohe Schmelzpunkt von Eisenaluminiden gepaart mit einer herausragenden Beständigkeit gegen Oxidation. Durch die erhöhten Prozesstemperaturen ist die Rissgefahr, wie sie bei zu sprödem Verhalten neigenden Eisenaluminiden gegeben ist, im SEBM deutlich reduziert. Vielmehr bestimmen die im additiv aufgebauten Material verbleibenden Konsolidierungsfehler dessen resultierende Eigenschaften. Spröde intermetallische Phasen sind hierbei in Ermangelung einer duktilen Antwort auf Spannungskonzentrationen besonders betroffen. Neben Tunnelkavitäten und Schichtanbindungsfehlern, welche prozesssicher über die Einstellung richtiger Schmelzparameter vermieden werden können, können Gasporen einen negativen Einfluss zeigen. Diese Poren finden ihren Ursprung im verwendeten gasverdüsten Pulver. Deren Anteil reagiert nur bedingt auf die verwendeten Schmelzparameter. Weder die Verarbeitung von Eisenaluminiden im SEBM noch der Einfluss des bei der Pulverherstellung verwendeten Verdüsungsgases auf die in solchen SEBM-Bauteilen verbleibende Gasporosität wurden bisher im Rahmen einer größeren Studie untersucht. Das Ziel der vorliegenden Monografie ist die Entwicklung des SEBM Prozesses für Eisenaluminide. Darüber hinaus soll der Einfluss des bei der Pulverherstellung verwendeten Verdüsungsgases untersucht werden. Hierzu wird neben einer mit Stickstoff verdüsten FeAl28Ti5B1,3-Legierung auch eine mit Argon verdüste FeAl28Ti5B0,7-Legierung mittels SEBM verarbeitet. Die Prozessfenster für die Erzeugung dichten Materials zeigen hierbei einen direkten Einfluss des verwendeten Verdüsungsgases. Dessen Einfluss ist neben der verbleibenden Gasporosität auch in der Breite der erzeugten Prozessfenster und der Mikrostruktur ersichtlich. Die prozessierten Eisenaluminide zeigen je nach Legierung grob- oder feinkristallines Gefüge, welches sich gut mit dem verwendeten Borgehalt erklären lässt. Neben der Größe der verschiedenen Gefügebestandteile lässt sich über die gewählten Schmelzparameter auch die chemische Zusammensetzung beeinflussen. Die Betrachtung der resultierenden mechanischen Eigenschaften zeigt die Vorteile des feinkristallinen Mikrogefüges sowie einer verringerten Gasporosität. Zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften erfolgt abschließend ein Vergleich mit anderen AM-Verfahren.

DOI
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