Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beeinflussung von Mikrostruktur und Eigenschaften beim additiven Lichtbogenschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen

Ziel des Forschungsvorhabens ist das Bestimmen werkstoffspezifischer Eigenschaften additiv MSG-CMT-geschweißter fertigkonturnaher Strukturen aus vier verschiedenen Ni-Basis-Schweißzusätzen (S Ni 7718, S Ni 6617, S Ni 6625, S Haynes 282). Diese vier Legierungstypen ermöglichen eine gute Differenzierung der Schweißeignung additiv gefertigter Komponenten. Zudem sind sie industriell weit verbreitet. Das Projekt schafft somit Basiswissen für die Entwicklung neuer Produkte, Verfahren und Dienstleistungen. Neben der Klärung der Auswirkungen verschiedener Prozessspezifika auf Nahtunregelmäßigkeiten, Gefüge, mechanische Eigenschaften bei Raum- und erhöhter Temperatur sowie korrosiver Kennwerte soll das Potential weiterentwickelter Legierungskonzepte von handelsüblichen Schweißzusätzen für das WAAM untersucht werden. Ebenso wird der Einfluss vorhandener PWHT-Prozeduren auf Nahteigenschaften und ein mögliches Strain-Age Cracking erforscht. Ni-Basis-Superlegierungen werden in verschiedenen Branchen (Luft- und Raumfahrttechnik, Automobiltechnik, Öl- und Gasindustrie, Apparate- und Anlagenbau, Kraftwerkstechnik) verwendet, in denen KMU entweder Nischenprodukte produzieren oder Reparaturlösungen anbieten. Das AM erfolgt aufgrund der hohen legierungstechnischen Komplexität derzeit bevorzugt mit pulverbettbasierten Strahlschweißverfahren bzw. dem Laser Metal Deposition (LMD) mit Pulver. Ein kosteneffizienter Einstieg in das WAAM mit Ni-Basisschweißzusätzen ist für KMU nur möglich, wenn durch vorwettbewerbliche Forschung schweißmetallurgische Fragestellungen, z. B. nach mechanischen Kennwerten bei Raum- und erhöhter Temperaturen oder nach dem Korrosions-, Ausscheidungs- und Heißrissverhalten, geklärt werden. Ein potentielles Anwendungsbeispiel wäre das Reparieren betriebsbeanspruchter Turbinenschaufeln mit größeren Beschädigungen aus Ni-Basis-Superlegierung mittels WAAM, da es ggü. dem LMD u. a. höhere Aufbauraten, kürzere Prozesszeiten und eine bessere Materialausnutzung aufweist.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde das werkstoffspezifische Eigenschaftsprofil beim additiven MSG-CMT-Schweißen fertigkonturnaher Strukturen (Steg, Profil, Block) aus verschiedenen Ni-Legierungen (S Ni 6625, S Ni 7718, S Ni 6617 (B), S Ni 282) bestimmt. Neben den Standard- sind weitere AM-Sonderchargen vergleichend betrachtet worden. Der MSG-CMT-Prozess verfügt über eine sehr gute Eignung zum additiven Schweißen von stegartigen Strukturen aus Ni-Basis-Superlegierungen. Die Endkonturnähe liegt über 75 %, wenn kein Bedienfehler auftritt. Problematisch ist die sehr langsame Abkühlung dieser Strukturen trotz geringer Streckenenergiewerte. Dies hat zur Folge, dass die geforderten Mindest- bzw. typischen Festigkeitswerte der Zusatzwerkstoffhersteller nicht erreicht werden. Begründet ist dies in der Korrelation zwischen Dendritenarmabstand und Abkühlzeit. Bindefehler oder Mikro-Heißrisse sind nur vereinzelt nachweisbar. Die Porosität liegt unter 0,001 %. Lediglich Mikrolunker können in der Decklage sichtbar werden. Eine zusätzliche Wasserbadkühlung beim Schweißen der stegartigen Strukturen reduziert signifikant die Nebenzeiten ohne die statischen Eigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit) zu beeinflussen. Hingegen gewährleistet das mehrlagige Blockschweißgut aufgrund der schnelleren Abkühlung die Mindestanforderungen an Festigkeit und Zähigkeit. Hier besteht aber eine deutlich höhere Sensibilität ggü. seigerungsbedingten Heißrissen und Lagenbindefehlern. Mögliche Vermeidungsstrategien sind bei den Heißrissen die Drahtcharge (z.B. S Ni 7718) und bei den Bindefehlern ein verbesserter Einbrand (z.B. durch CMT-Puls-Mix).

Die erzielten Ergebnisse tragen wesentlich zur Fertigungssicherheit von hochbeanspruchten WAAM-Komponenten aus Ni-Legierungen bei. Der Endanwender erhält fertigungsrelevante Informationen zum strukturabhängigen Eigenschaftsprofil der WAAM-Schweißgüter. Die Ergebnisse fließen direkt in die Anwendung ein (z.B. über die PA-Mitglieder) und werden direkt in ein Merkblatt eingearbeitet.