Forscher aus Japan von der Kyushu University haben zusammen mit Partnern nach einer Methode gesucht, um mit 3D-Druck Einkristall-Strukturen aus reinem Nickel herzustellen. Dazu verwendeten sie als 3D-Druckverfahren das selektive Laserschmelzen. Einkristall-Strukturen aus Hochtemperaturmetallen wie Nickel eignen sich besonders gut für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und eröffnen ganz neue Anwendungsmöglichkeiten für die additive Fertigung.

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Forscher der Kyushu University haben mit dem japanischen National Institute for Materials Science und der Osaka University den 3D-Druck von Einkristall-Strukturen mithilfe des selektiven Laserschmelzens untersucht. In den vergangenen Jahren stieg die Nachfrage nach 3D-gedruckten Ni-basierten Superlegierungen wie Inconel, da sich diese Hochtemperaturmetalle oft durch ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Kriechfestigkeit auszeichnen, die üblicherweise im Temperaturbereich von 500 °C+ betrieben werden. Dadurch eignen sie sich sehr gut für die Luft– und Raumfahrt. Dort finden sie zum Beispiel bei der Herstellung von Strahltriebwerkskomponenten wie Turbinenschaufeln ihre Verwendung. Ihre Arbeit präsentierten sie in einem Artikel mit dem Titel „Manufacturing single crystals of pure nickel via selective laser melting with a flat-top laser beam„.

Vorteil von Einkristall-Strukturen aus Ni

Kernel Average Misorientation (KAM)-Karten
Die Forscher haben für ihre Arbeit ein Flat-Top-Laserprofil verwendet (im Bild: Kernel Average Misorientation (KAM)-Karten)(Bild © Kyushu University).

Werden Turbinenschaufeln aus Einkristall-Strukturen hergestellt, dann können diese häufiger mit höheren Temperaturen genutzt werden als ihre kristallinen Gegenstücke. Der 3D-Druck mit Ni-basierten Einkristall-Superlegierungen war bisher jedoch immer sehr schwer. Sie können durch Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verarbeitet werden, für laserbasierte Technologien benötigen sie jedoch einen Einkristall-Keim. Das Team hat ein Flat-Top-Laserprofil verwendet, um einkristallines Ni in 3D zu drucken, ohne ein solchen Seed zu benötigen.

Wichtig beim Druck mit dem selektiven Laserschmelzen ist die genaue Kontrolle der Korngrenzen, der Spannungsunterdrückung und der Texturhomogenität von Teilen. Durch die wiederholten thermischen Zyklen entstehen hohe Dehnungs- und Versetzungsdichten, die zu einer internen dynamischen Kristallisation und der Bildung neuer Körner führt. Um Einkristalle zu erhalten, müssen Benutzer die Scan-Strategie fein abstimmen oder von Beginn an einen Einkristall-Keim verwenden. Gauß-basierte Strahlprofile kommen oft zum Einsatz, um Texturen und Mikrostrukturen zu steuern. Es gibt jedoch keine Studien für Flat-Top-Stahlprofile.

Das Prozedere

Das Team aus Japan druckte mit einem SLM 280 HL-3D-Drucker von SLM Solutions reine Ni-Strukturen in einer Ar-Umgebung. Polykristalline Ni-Platten helfen dabei, das Verhalten einzelner Flat-Top-Laserspuren zu untersuchen. Dadurch kann das Team die Form der nachfolgenden Schmelzbecken abschätzen. Die Forscher haben die Schmelzbadtiefen gemessen und die beobachteten Schmelzbadgeometrien verwendet, um zylindrische Proben aus Ni auf Bauplatten aus polykristallinem Edelstahl 304 zu drucken. Die einzelnen Proben wurden anschließend geschliffen und poliert und die Mikrostrukturen mit der Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Bildgebung und Elektronenrückstreubeugung (EBSD) untersucht. Es gelang dem Team, das planare Schmelzbad zu optimieren und 3D-gedruckte homogene Einkristall-Strukturen aus reinem Ni herzustellen, ohne eine Einkristall-Bauplatte.

IPF-Karten
Einkristall-Strukturen aus Hochtemperaturlegierungen eignen sich für die Luft- und Raumfahrt (im Bild: IPF-Karten und Texturen von Flat-Top-Built)(Bild © Kyushu University).

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