Minimalinvasives Laserauftragschweißen und Funktionalisieren der Nickelbasis-Superlegierung Alloy 718

Müller, Bernd Josef; Gebhardt, Andreas; Schleifenbaum, Johannes Henrich

doi:HT030964225

Minimalinvasives Laserauftragschweißen und Funktionalisieren der Nickelbasis-Superlegierung Alloy 718 = Minimally invasive laser material deposition and functionalization of nickel-based superalloy alloy 718

Müller, Bernd Josef^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeBernd Müller

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-265-8

ReiheErgebnisse aus der additiven Fertigung

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Gebhardt, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01681
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004877/files/1004877.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (421510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Additive Fertigung (frei) ; Alloy 718 (frei) ; Laserauftragschweißen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Trotz hoher Qualitätsanforderungen an die komplexen Herstellungsprozesse im Maschinenwesen, Formenbau oder in der Triebwerkstechnik können Bauabweichungen in der Neuteilfertigung nicht vermieden werden. Ebenso unterliegen die oftmals hochpreisigen Bauteile im Laufe ihres Lebenszyklus Verschleißerscheinungen, wodurch ihr bestimmungsgemäßer Einsatz nicht mehr möglich ist. Dies wirkt sich negativ auf die Lebenswegkosten der betroffenen Produkte aus, da neben den hohen Kosten der Bauteileselbst Folgekosten aufgrund von Neubeschaffung, Produktionsausfall und vertraglich vereinbarten Verfügbarkeiten zu berücksichtigen sind. Bedingt durch lange Produktlebenszyklen müssen Bauteile und Ersatzteile auch Jahrzehnte nach der Indienststellung am Markt verfügbar sein. Der daraus resultierende Bedarf an Instandsetzungsverfahren für jede Phase des Produktlebenszyklus stellt eine Herausforderung für Herstellungs- und Servicebetriebe dar. Ein mögliches Verfahren zur Behebung von Bauabweichungen und Verschleiß ist das Laserauftragschweißen (,Directed Energy Deposition` mit Laserstrahlung von Metallen,DED-LB/M). Das DED-LB/M wird als Reparaturverfahren bisher nur für Bauteilbereiche eingesetzt, bei denen die Zugänglichkeit für die Systemtechnik gegeben ist und deren Werkstoffeigenschaften sich durch das DED-LB/M nicht nachhaltig verschlechtern, sodass die Funktionalität des Bauteils erhalten bleibt. Häufig treten Bauabweichungen und Verschleiß an mit der verfügbaren Systemtechnik zum DED-LB/M nicht zugänglichen Bereichen von Bauteilen auf, sodass für eine Instandsetzung Zugänge geschaffen werden müssen. Dieses Vorgehen kann analog zu den Operationstechniken vor Einführung der minimalinvasiven Chirurgie, die eine breite Nutzung von Endoskopen und die Miniaturisierung von chirurgischen Instrumentenmit sich brachte, gesehen werden. Daher soll im Rahmen dieser Arbeit untersuchtwerden, wie der minimalinvasive Aufbau rissfreier Beschichtungen innerhalb von Bauteilenaus Alloy 718 mit Zugangsöffnungen (Höhe ≤ 50 mm, Breite ≤ 10 mm) und die minimalinvasive, laserbasierte Funktionalisierung zur Ausscheidungshärtung des beschichteten Bereichs unter Nutzung der benötigten Systemtechnik für eine industrielle Anwendung erreicht werden können, da diese Verfahrenskombination ein bisher nichterschlossenes Potenzial bei der Instandsetzung von Bauteilen aus den Branchen Werkzeug-, Maschinen- und Triebwerksbau bietet. Die dafür benötigte Systemtechnikwird ausgelegt, montiert und getestet. Ebenfalls wird eine Verfahrensentwicklung durchgeführt. Die statischen mechanischen Eigenschaften des auftraggeschweißten und funktionalisierten Materials werden in Zugversuchen ermittelt und das entstandene Gefüge wird metallografisch analysiert. Im Rahmen einer Anwendungsdemonstration wird ein minimalinvasiver Wiederaufbau innerhalb einer Kavität einer strukturellen Triebwerkskomponente mit anschließender Funktionalisierung der aufgebrachten Schicht realisiert.

Despite high quality requirements for the complex manufacturing processes in mechanical engineering, tool making, or aeroengine technology, manufacturing deviations in the production of new parts cannot be avoided. Likewise, the often high-priced components are subject to wear and tear over the course of their life cycle, which means that they can no longer be used as intended. This has a negative impact on the life cycle costs of the affected products, as in addition to the high costs of the components themselves, follow-up costs due to new procurement, loss of production and contractually agreed availability must be considered. Due to long product life cycles, components and spare parts must be available on the market decades after they have been put into service. The resulting need for repair procedures for every phase of the product life cycle represents a challenge for manufacturing and service companies. One possible method to address manufacturing deviations and wear is laser deposition welding (directed energy deposition with a laser beam on metallic materials, DEDLB/M). So far, DED-LB/M has been used as a repair process only for areas of components that are accessible with the available system technology, and where the material properties are not significantly deteriorated by the DED-LB/M process, thereby ensuring the component’s functionality. Manufacturing deviations and wear often occur in areas of components that are inaccessible with the available DED-LB/M system technology, requiring access to be created for repair. This approach can be compared to the surgical techniques prior to the introduction of minimally invasive surgery, which led to the widespread use of endoscopes and the miniaturization of surgical instruments. Therefore, the aim of this work is to investigate how a minimally invasive application of crack-free coatings within Alloy 718 components, with access openings (height ≤ 50 mm, width ≤ 10 mm), and the minimally invasive, laser-based functionalization for precipitation hardening of the coated area can be achieved using the required system technology for industrial applications. This procedural combination offers untapped potential for the repair of components in the tool, machine, and engine building industries. The necessary system technology is designed, assembled, and tested. Additionally, a process development is carried out. The static mechanical properties of the applied and functionalized material are determined through tensile tests, and the resulting microstructure is metallographically analyzed. As part of an application demonstration, a minimally invasive reconstruction within a cavity of a structural engine component is realized, followed by the functionalization of the applied material.

OpenAccess:
PDF
(additional files)