Additive manufacturing of nickel-base superalloy IN738LC by laser powder bed fusion

Risse, Jeroen; Poprawe, Reinhart; Broeckmann, Christoph

doi:38411

Additive manufacturing of nickel-base superalloy IN738LC by laser powder bed fusion = Additive Fertigung der Nickelbasis-Superlegierung IN738LC mittels selektivem Laserstrahlschmelzen

Risse, Jeroen^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jeroen Risse

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (V, 239 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)^RWTH* ; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-04-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06822
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/764478/files/764478.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IN738LC (frei) ; LPBF (frei) ; SLM (frei) ; additive manufacturing (frei) ; preheating (frei) ; pulse-modulated laser radiation (frei) ; selective laser melting (frei) ; superalloys (frei) ; AM (frei) ; laser powder bed fusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
IN738LC gehört zur Gruppe der ausscheidungsverfestigten Nickelbasis-Superlegierungen (γ’ Phase), welche für lasttragende Anwendungen im Heißgasbereich von Gasturbinen eingesetzt werden. Das Hauptfertigungsverfahren für diese Legierungen ist der Feinguss. Gegenwärtig ist das selektive Laserschmelzen (eng. Laser Powder Bed Fusion, LPBF) eine der verbreitetsten additiven Fertigungstechnologien für metallische Werkstoffe. Im Vergleich zum Gießen ermöglicht die schichtweise und formenlose Fertigung eine größere geometrische Komplexität bei gleichzeitig kürzerer Fertigungszeit. Angepasst für die Erstarrungsbedingungen beim Gießen, können die schnelle Erstarrung und großen thermische Gradienten beim LPBF von Nickelbasis-Superlegierungen zur Mikrorissbildung im Prozess und Makrorissbildung in der anschließenden Wärmebehandlung führen. Des Weiteren weist das Gefüge in der Regel kleine längliche Körner mit einer Vorzugsorientierung in Aufbaurichtung auf. Dies führt zu anisotropen mechanischen Eigenschaften und insbesondere einer kleineren Kriechfestigkeit im Vergleich zum Guss. Die Ziele in dieser Arbeit sind (1) die Vermeidung der Rissbildung durch die Verkleinerung der prozessinduzierten Spannungen mittels Vorwärmung von bis zu 1100°C, (2) die Erzielung einer isotropen Kornstruktur und isotroper mechanischen Eigenschaften, durch die Erzeugung einer diskontinuierlichen Erstarrungsfront mittels gepulst-modulierter Laserstrahlung, und (3) die Analyse der Mikrostrukturentwicklung entlang der Fertigungskette und Korrelation mit mechanischen Kennwerten. Die Untersuchungen erfolgen dabei am Beispiel der Legierung IN738LC. Für jede der untersuchten Fertigungsbedingungen (kontinuierliche Laserstrahlung mit und ohne Vorwärmung, gepulst-modulierte Laserstrahlung ohne Vorwärmung) können Verfahrensparameter zur Fertigung von Proben mit einem kombinierten Fehlerflächenanteil von Poren und Bindefehlern von <0.1 % bestimmt werden. Die prozessinduzierten Eigenspannungen betragen ca. 80 % der Fließspannung bis zu einer Vorwärmtemperatur von 500°C. Diese Spannungen führen in Kombination mit der Seigerung von Zirkon und Silizium zu Erstarrungsrissen, welche bei niedrigen Vorwärmtemperaturen (<600°C) nicht vollständig vermieden werden können. Die einsetzende Festkörperdiffusion bei höheren Vorwärmtemperaturen (>600°C) führt zu in-situ γ’ Ausscheidung und resultiert in Makrorissen (eng. strain age cracks) im Prozess. Ab einer Temperatur von 1050°C ist der Gleichgewichtsanteil der γ’ Phase soweit reduziert, dass die Makrorissbildung unterdrückt wird und rissfreie Proben hergestellt werden können. Darauf aufbauend wird eine super-solvus Wärmebehandlung entwickelt, welche zur Rekristallisation in Proben mit einer ausreichend hohen Versetzungsdichte (Eigenspannungen) führt. Der identifizierte Rekristallisationsmechanismus ist das Ausbeulen von Großwinkelkorngrenzen. Die Rekristallisation erfolgt homogen in Proben mit einer kleinen kristallographischen Textur (gepulst-moduliert) so dass eine isotrope Kornstruktur mit isotropen mechanischen Eigenschaften erzeugt werden kann. In Proben mit einer ausgeprägten kristallographischen Textur erfolgt eine inhomogene Rekristallisation, welche zu großen in Aufbaurichtung gestreckte Körner führt. Letztendlich ermöglichen diese großen Körner eine ähnliche Kriechfestigkeit wie beim Guss.

IN738LC belongs to the class of γ’-precipitation strengthened nickel-base superalloys which are used for load bearing parts in the hot section of gas turbines and have excellent mechanical properties at elevated temperatures. Main manufacturing process for these alloys is investment casting. Nowadays, laser powder bed fusion (LPBF) is one of the most important additive manufacturing (AM) technologies for metals. In comparison to casting, this layer-based manufacturing technology allows for a larger geometrical complexity in the part design while simultaneously reducing lead times due to the toolless manufacturing. Originally developed for the solidification conditions in casting processes, the high thermal gradients and rapid solidification during LPBF of superalloys can cause micro cracking during processing as well as macro cracking during post-heat treatment. Additionally, the resulting microstructure exhibits small grains with a preferred orientation in build direction, leading to anisotropic mechanical properties and especially a reduced creep strength in comparison to casting. The objectives in this work are (1) to prevent crack formation by reducing the process induced stresses through preheating up to temperatures of 1100°C, (2) to achieve an isotropic grain structure for isotropic mechanical properties by generation of a discontinuous solidification front through pulse-modulated laser radiation and (3) to consistently analyze the microstructure evolution along the processing route in order to evaluate its influence on the mechanical properties. This study is done on the example of IN738LC. For each processing condition (cw laser radiation with and without preheating, pulse-modulated laser radiation without preheating) process parameters are determined which allow to manufacture samples with a combined area fraction of pores and lack of fusions of <0.1 %. The process induced residual stresses are determined to be in the range of approx. 80% of the materials flow stress up to preheating temperatures of at least 500°C. These stresses and segregation of zirconium and silicon are identified as drivers for solidification cracking, which cannot be prevented at low preheating temperatures (<600°C). Increasing solid-state diffusion at higher preheating temperatures (>600°C) causes in-situ γ’ precipitation resulting in strain age cracking in the LPBF process. The extent of in-situ γ’ precipitation is sufficiently reduced at a temperature of 1050°C and, thus, allows to manufacture crack free samples at high preheating temperatures. A super solvus post-heat treatment at 1245°C is developed, which leads to recrystallization in samples with a sufficiently high dislocation density (residual stresses) via bulging of high angle grain boundaries. This recrystallization is homogenous in samples which with a low crystallographic texture (pulse-modulated) leading to an isotropic grain structure with isotropic mechanical properties. Inhomogeneous recrystallization is observed in the presence of a strong crystallographic texture (cw) leading to large elongated grains in build direction. Ultimately, these large grains allow for a similar creep strength in build direction as in cast parts.

OpenAccess:
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