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Elektronenstrahlschweißen pusht Verarbeitung von Nickelsuperlegierungen

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Anbieter zum Thema

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

Vergleich zwischen additiv und konventionell verarbeitetem IN939

Das Schweißverhalten von additiv verarbeitetem IN939 zu studieren, geeignete Parameter für einen stabilen Prozess zu entwickeln und Erkenntnisse über die möglichen Nahtqualitäten zu gewinnen, ist deshalb Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten am IPK. Dabei wurden Schweißversuche an sieben Millimeter dicken, vollständig durchgeschweißten Platten aus durch PBF-LB gefertigten Blechen mittels Elektronenstrahl durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit Nähten an konventionell vergossenem IN939 verglichen. Es wurden dabei der Einfluss von Vorschub und Strahlstrom auf die geometrische Nahtqualität sowie die Ausbildung von Mikrorissen untersucht. Bei der Nahtform zeigte sich bei gleichen Schweißparametern kein nennenswerter Unterschied zwischen dem konventionell gefertigten und dem additiv hergestelltem Material. Das gegossene IN939 weist jedoch eine tendenziell stärkere Ausprägung von geometrischen Nahtunregelmäßigkeiten wie Decklagenunterwölnung und Wurzelüberhöhung auf. Diese nehmen mit steigendem Vorschub für beide Werkstoffarten ab, sodass bei einer Schweißgeschwindigkeit von 20 Millimetern pro Sekunde bereits die höchste Bewertungsgruppe für strahlgeschweißte Nähte gemäß der DIN EN ISO 13919-1 erreicht wird.

Überraschungen bei der Nahtanalyse an den IN939-Teilen

Überraschendes brachte aber die Analyse der für den Werkstoff IN939 typischen Mikrorisse in der Wärmeeinflusszone der Naht. Denn es zeigte sich, dass das PBF-LB Material deutlich für das Auftreten dieser Unregelmäßigkeiten deutlich weniger empfindlich ist, weil im Schnitt im Vergleich zum Gusswerkstoff nur etwa ein Drittel der sonst üblichen Risslänge vorlag. Zurückführen lässt sich das Phänomen auf die feinere Mikrostruktur, die durch den additiven Fertigungsprozess auftritt, der die Ablagerung von sogenannten Seigerungen an den Korngrenzen begrenzt. Auch die Verteilung in der Naht lässt Unterschiede erkennen. Während das konventionell verarbeitete IN939 eher zu Rissen im Bereich der parallelen Nahtflanken zur Mitte der Naht hin neigt, treten beim PBF-LB-Bauteil daraus eher Unregelmäßigkeiten im Kopf- und Wurzelbereich auf. Letztere sind für die Fertigung aber günstig, weil sich diese Bereiche nachträglich durch spanende Bearbeitung entfernen lassen.

Fazit und Zukunft der additiven Verarbeitung von Inconel 939

Vergleich der Summe der Mikrorisse in Abhängigkeit der Materialherstellungsart und Schweißparameter an Bauteilen aus Inconel 939.(Bild: Fraunhofer-IPK)
Vergleich der Summe der Mikrorisse in Abhängigkeit der Materialherstellungsart und Schweißparameter an Bauteilen aus Inconel 939.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Nachdem gezeigt werden konnte, dass sich Inconel 939 durch additive Fertigung aus dem PBF-LB-Prozess mit sehr guten Nahtqualitäten fügen lässt, werden im weiteren Projektverlauf mechanische Tests durchgeführt, um wichtige Materialdaten für den Einsatz im Hochtemperaturbereich zu erhalten. Bei erfolgreichem Abschluss soll so die Grundlage für den Einsatz additiv gefertigter Schweißbaugruppen zur wirtschaftlichen Instandsetzung von Gasturbinen geschaffen werden.

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