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Erweiterte Möglichkeiten Elektronenstrahlschweißen pusht Verarbeitung von Nickelsuperlegierungen

Von Julius Raute 5 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Klinkhammer Intralogistics GmbH
GGB Heilbronn GmbH
Weil Technology GmbH

Hochbelastete Bauteile müssen aus Werkstoffen sein, die den in der Praxis auftretenden Kräften gewachsen sind. Nickelsuperlegierungen gehören dazu. Jetzt können solche Werkstoffe noch besser additiv verarbeitet werden.

Am Fraunhofer-IPK wird untersucht, wie Nickelsuperlegierungen additiv vearbeitet werden können. Hier per Elektronenstrahl geschweißte I-Nähte an einem Blech aus Inconel 939 (IN939). A): Materialkombination aus Guss- und AM-Komponente. B) Reines additiv verarbeitetes Material.(Bild: Fraunhofer-IPK)
Am Fraunhofer-IPK wird untersucht, wie Nickelsuperlegierungen additiv vearbeitet werden können. Hier per Elektronenstrahl geschweißte I-Nähte an einem Blech aus Inconel 939 (IN939). A): Materialkombination aus Guss- und AM-Komponente. B) Reines additiv verarbeitetes Material.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Nickelsuperlegierungen sind seit geraumer Zeit der ideale Werkstoff für hochbelastete Komponenten im Bereich des Turbinen- und Triebwerkbaus. Kaum eine andere Legierungsgruppe erreicht eine derart hohe Widerstandsfähigkeit bei mechanischen, thermischen und korrosiven Belastungen, was bis hin zu Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt gilt. Nickelsuperlegierungen zählen außerdem zu den technisch am weitesten entwickelten Werkstoffgruppen für den Hochtemperaturbereich. Die fortlaufende Weiterentwicklung ist aber wichtig, denn nur über die Erhöhung von Druck und Temperatur lässt sich der Wirkungsgrad der Turbinen weiter steigern. Neben den teuren Legierungselementen ist vor allem die Herstellung von Turbinenbauteilen kompliziert und zeitaufwändig. Eine lange Lebensdauer und die Möglichkeit zur Reparatur verschlissener Turbinenkomponenten sind deshalb sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gesichtspunkten von großer Bedeutung.

Neuer Fügeprozess soll bisherige Hürden nehmen

Eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Fertigung von Neu- und Ersatzteilen sowie für die Instandsetzung verschlissener Komponenten aus Nickelsuperlegierungen stellt der Einsatz additiver Fertigungstechnologien dar. Das gilt insbesondere für komplexe Bauteile mit Hinterschneidungen oder innenliegenden Strukturen, bei denen sich die additive Fertigung im Pulverbett, beispielsweise unter Nutzung eines Lasers (PBF-LB), als besonders geeignet erweist. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbreitung der Technologie steht mittlerweile auch ein großes Spektrum an kommerziell verfügbaren Werkstoffen in Pulverform zur Verfügung, welches auch viele der wichtigsten Nickelsuperlegierungen abdeckt.

Eine Herausforderung für den umfassenden Einsatz stellt aber nach wie vor der begrenzte Bauraum in Pulverbettanlagen für die additive Fertigung dar. Zwar existieren mittlerweile auch Systeme mit deutlich gesteigertem Kammervolumen, jedoch sind die Anschaffungskosten im Vergleich zu kleinen Anlagen deutlich höher. Eine Möglichkeit, um diese Hürde zu nehmen, stellt die Entwicklung eines neuen Fügeprozesses dar. Damit ließe sich die PBF/LB-Prozesskette erweitern und eine Verbindung mehrerer additiv gefertigter Bauteile miteinander – sowie auch die Kombination mit konventionell gefertigten Teilen – erreichen. Mit einer beispielhaften Möglichkeit zum Einsatz eines solchen Fügeprozesses für additiv verarbeitete Turbinenwerkstoffe beschäftigen sich die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin im aktuellen Teilprojekt namens „Prozessentwicklung für das Elektronenstrahlschweißen von AM-Bauteilen auf Ni-Basis“, das im Rahmen des Forschungsvorhabens „Pro Fit HTA Phase II“ abläuft.

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