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Elektronenstrahlschweißen pusht Verarbeitung von Nickelsuperlegierungen

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

Der Schweißprozess und seine Herausforderungen

Die Schweißbarkeit von Nickelsuperlegierungen hängt von mehreren Faktoren ab. Allem voran spielt die chemische Zusammensetzung sowie die damit einhergehende Ausbildung des Gefüges eine entscheidende Rolle für die Bauteilqualität. Als wesentlicher Mechanismus zur Festigkeitssteigerung kommt bei Nickelsuperlegierungen zumeist die Ausscheidungshärtung zum Einsatz. Diese wird über die Zugabe von ausscheidungsfördernden Legierungselementen wie Aluminium und Titan erreicht. Die Zugabe dieser Elemente erhöht jedoch auch die Gefahr, dass sich Heißrisse beim Schweißen bilden. So gelten Nickelsuperlegierungen mit geringen Anteilen dieser Elemente (Alloy 718 oder Alloy 625) in der Regel noch als gut für das Schweißen geeignet, während Varianten mit hohen Gehalten an Ausscheidungsphasen problematisch sind. Ein Beispiel für eine nur bedingt schweißbare Variante stellt die Legierung Inconel 939 (IN939) dar. Diese wird aber vorrangig für die Fertigung von Leit- und Laufschaufeln für die hochbelasteten Bereiche von Turbinen sowie auch für Gehäuse und Brennerteile genutzt.

Schweißmethoden müssen genauer untersucht werden

Inconel 939 neigt vor allem zur Bildung von sogenannten Aufschmelzrissen die, ausgehend von der Schmelzlinie in der Wärmeeinflusszone, ins Grundmaterial wachsen. Diese Defekte können sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Komponenten auswirken und sollen daher möglichst gering sein. Häufig werden derartige Risse beim Schweißen nur durch vorgelagerte Wärmebehandlungen, die Verwendung von weniger festen Zusatzwerkstoffen oder nachträgliches heiß-isostatisches Pressen beherrscht. Durch die additive Verarbeitung des Werkstoffs entstehen jedoch abweichende Mikrostrukturen und Unregelmäßigkeiten am Gefüge, die eine genaue Untersuchung erfordern, um bestehende Schweißtechnologie auf ihre Eignung hin überprüfen zu können.

Das Elektronenstrahlschweißen ist der ideale Prozess

Wenn hohe Qualitätsanforderungen an Schweißnähte gestellt werden und herausfordernde Werkstoffe gefügt werden müssen, ist das Elektronenstrahlschweißen das Verfahren der Wahl. Für die Anwendung an Turbinenwerkstoffen sind hierbei vor allem die besonders präzise Kontrolle von Nahtgeometrie und Energieeintrag zu nennen. Aber auch die Arbeit im Vakuum, die Oxidationen vermeidet und die Minimierung von Verzug durch die schlanke Nahtform sind entscheidende Vorteile. Erstere wirkt sich auch positiv auf die Entstehung von inneren Unregelmäßigkeiten, wie Mikrorissen, in den Schweißnähten aus. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass auf Schweißzusatz-Werkstoffe verzichtet werden kann, wodurch die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Fügestelle nicht zusätzlich verschlechtert werden.

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