Superlegierungen Elektronenstrahl schweißt additiv gefertigte Nickel-Superlegierungen

Autor / Redakteur: Julius Raute, Max Biegler und Michael Rethmeier / Peter Königsreuther

Die Additive Fertigung ist ideal zur Herstellung und Reparatur komplexer Bauteile aus hochfesten Werkstoffen. Doch es fehlen Fügeverfahren, die Heißrisse vermeiden. Die Lösung heißt Elektronenstrahl.

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Die Additive Fertigung birgt großes Potenzial, wenn es um die Herstellung von Bauteilen aus hochfesten Werkstoffen geht. Das Problem, zum Beispiel bei Nickel-Superlegierungen, sind Heißrisse beim Fügen – so wie hier. Forscher aus Berlin lösen das Problem nun per Elektronenstrahl.
Die Additive Fertigung birgt großes Potenzial, wenn es um die Herstellung von Bauteilen aus hochfesten Werkstoffen geht. Das Problem, zum Beispiel bei Nickel-Superlegierungen, sind Heißrisse beim Fügen – so wie hier. Forscher aus Berlin lösen das Problem nun per Elektronenstrahl.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Additive Fertigungstechnologien versprechen großes Potenzial für die Herstellung von komplexen Bauteilen aus hochfesten Werkstoffen – so auch aus Superlegierungen auf Nickelbasis. Für den flexiblen Einsatz in der Produktion fehlen jedoch sichere Fügeprozesse für diese Teile. Eine Herausforderung liegt in der Vermeidung von Heißrissen. Das Elektronenstrahlschweißen kann hier die Lösung sein.

Die Bedeutung von Nickel im modernen Maschinenbau

Legierungen auf Nickelbasis sind seit Jahren in unterschiedlichen Sektoren der Industrie im Einsatz. Neben Anwendungen in Luft- und Raumfahrt spielt Nickel vor allem für die Förderung- und Verstromung von Energieträgern oder die Nutzung für korrosionsbeständige Leitungselemente eine entscheidende Rolle. Über Jahrzehnte hinweg entwickelten sich eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffkonzepte für verschiedenste Einsatzzwecke. Die Vertreter mit besonders guten mechanischen Eigenschaften in hohen Temperaturbereichen werden als Superlegierungen bezeichnet. Bei der Verarbeitung von Nickel-Superlegierungen sind neben einer genau definierten Zugabe von zahlreichen Legierungselementen auch maßgeschneiderte Wärmebehandlungen erforderlich. Durch das komplexe Legierungskonzept und die hohen Anteile an verschiedenen festigkeitssteigernden Zusätzen eignen sie sich besonders für hochbelastete Bauteile. Insbesondere bei der Fertigung moderner Gasturbinen existieren kaum Werkstoffalternativen, welche den extremen Belastungen im Heißgasbereich über längere Zeit standhalten können. Entsprechend hoch ist daher auch der Preis dieser Legierungen. Kommt es aufgrund von Verschleiß oder Beschädigungen zu einem Ausfall einer Komponente, müssen aus wirtschaftlicher Sicht Möglichkeiten vorhanden sein, diese zu reparieren oder gegebenenfalls zu ersetzen.

Warum die Additive Fertigung auch für Nickel nutzen?

Eine Möglichkeit Bauteile aus Nickel im Schadfall zu auszubessern bieten moderne pulverbasierte 3D-Druck-Verfahren, auch bekannt als Additive Manufacturing (AM). Neben der oft gelobten Gestaltungsfreiheit, zeigen sich durch die Anwendung von AM vor allem Potenziale durch die Materialeinsparungen gegenüber spanender Fertigung sowie die Möglichkeit der wirtschaftlichen Herstellung sehr kleiner Losgrößen. Je nach erforderlicher Genauigkeit und angestrebter Bauteilkomplexität stehen dem Anwender dabei eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahrensvarianten zur Verfügung. So werden bereits heute im Serienbetrieb Turbinenschaufeln durch das Verfahren Laser-Directed-Energy-Deposition (L-DED) instandgesetzt oder auch komplette Neuteile aus dem Pulverbett mittels Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) gefertigt. Auch in der Neufertigung von Gasturbinen könnte so ein entscheidender Fortschritt möglich sein: Weil Konstruktionen aus besonders festen Nickellegierungen meist nur gießtechnisch realisiert werden können, ist die endkonturnahe Fertigung von solchen Bauteilen aktuell nur zu hohen Kosten und bei eingeschränkter Komplexität möglich. Das Ersetzen verschiedener gegossener Komponenten durch ein komplexes AM-Bauteil, ermöglicht hier eine deutliche Kostensenkung bei der Herstellung. Besonders bei Werkstoffen mit großer mechanischer Festigkeit und hohen Anteilen an kostenintensiven Legierungselementen, wie ausscheidungsgehärteten Nickel-Superlegierungen, können AM-Verfahren ihr Potenzial entfalten.

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