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Laser powder bed fusion of dispersion strengthened alloy 400

Roth, Jan-Philipp^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan-Philipp Roth, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Jahns, Katrin (Thesis advisor) ; Kruml, Tomáš (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03342
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009108/files/1009108.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde (522110)
2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Projekte

1. topAM - Tailoring ODS materials processing routes for additive manufacturing of high temperature devices for aggressive environments (958192) (958192)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die additive Fertigung hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt. Im Gegensatz zur konventionellen Fertigung ermöglicht diese Technologie die endkonturnahe Herstellung von Bauteilen, die kaum durch geometrische Restriktionen eingeschränkt sind. Da sie eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist, die wiederum aus zellulären Nanostrukturen besteht, unterscheiden sich die resultierenden Bauteileigenschaften erheblich von denjenigen konventioneller Verfahren. Um diese vergleichsweise junge Fertigungstechnologie somit vollständig zu verstehen, bedarf es fortlaufender Forschung. Entsprechend beschäftigt sich die erste Säule dieser Arbeit mit der Fertigung. Neben AM hat die Modifizierung von Legierungssystemen mittels Dispersionsverstärkung in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Die Implementierung nanoskaliger Keramiken in das Kristallgitter erzeugt sogenannte Metallmatrix-Nanokomposite. Diese Werkstoffklasse weist deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften auf, was primär auf die erfolgreiche Unterdrückung von Versetzungsbewegungen zurückzuführen ist. Da eine effiziente Dispersionsverstärkung von vielen, komplexen Faktoren abhängt, sind weitaus mehr grundlegende Studien notwendig, um ein vollständiges Bild hierüber zu erhalten. Somit befasst sich diese Arbeit auch mit dem Mechanismus. An dritter Stelle, neben einer Vielzahl an Werkstoffklassen, die in leistungsintensiven Industrien eingesetzt werden, ermöglichen NiCu-Basislegierungen essenzielle Produkte wie Wärmetauscher, Pumpen und Ventile in Schlüsselbranchen wie der Schifffahrt, der Energie und der Chemie. Eine prominente Vertreterin dieser Werkstoffklasse ist das Alloy 400. Allerdings gibt es kaum Erkenntnisse über diese Legierung im additiv gefertigten Zustand, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Aus diesem Grund wird der Werkstoff ebenfalls in dieser Arbeit behandelt. Durch die Kombination dieser Themenbereiche werden in dieser Arbeit ganzheitliche Prozessrouten für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von dispersionsverfestigten Alloy 400 Varianten erarbeitet. Es wird gezeigt, wie Pulver mittels Gasverdüsung von Alloy 400 für das Laserstrahlschmelzen erzeugt werden kann und welche Besonderheiten Pulver und Bauteile aufweisen. Kupferseigerungen an Korngrenzen und Zellwänden sowie hohe Versetzungsdichten in der mikrodendritischen Struktur konnten festgestellt werden. Aufgrund des feineren Korns der AM-Variante nahm die Zugfestigkeit zu, während die Dehnung im Vergleich zum konventionellen Bauteil abnahm. Auf Basis des unmodifizierten Standard Alloy 400 wurden zwei erfolgreiche Dispersionsverstärkungen für die vorliegende Legierung entwickelt. Die erste basiert auf dem Prinzip der Gasverdüsung mit Reaktivgas. Eine in situ Bildung von Nanopartikeln während der Verdüsung aufgrund der Reaktivität mit der Schmelze wurde erarbeitet. Die Keramiken wurden als TiN identifiziert und schränkten die Versetzungsbewegung in der Matrix erfolgreich ein. Dies führte zu erheblich verbesserten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur Standard PBF-LB/M Variante. Beim zweiten Modifizierungsansatz wurde eine ex situ Pulvermodifikation in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt. Durch Stickstoffdiffusion wurde eine hohe Anzahl von TiN in den Pulvern erzeugt, die im Zuge der additiven Fertigung nochmals deutlich erhöht wurde, was wiederum hervorragende Zug-, Kriech- und Ermüdungseigenschaften ermöglichte. Es wurden somit verschiedene Legierungssysteme mit herausragenden Eigenschaften entwickelt und für den Einsatz in der additiven Fertigung qualifiziert.

Additive manufacturing (AM) evolved rapidly during the last decades. Other than conventional manufacturing (CM), this technology allows for near-net-shape components, barely being limited by geometrical constraints. Revealing very fine grains, that, in turn, consist of cellular nanostructures, the resulting performance of such components differentiates significantly from CM. Continuous research is thus required to fully understand this comparably young manufacturing technology. Hence, the first pillar of this work is considering the manufacturing. Besides AM, the modification of base alloy systems via the concept of dispersion strengthening (DS) has attracted great attention in recent years. The implementation of nanoscaled ceramics into the lattice of the alloy results in so-called metal matrix nanocomposites (MMNC). This material class shows clearly improved mechanical properties, mainly being linked to the successful suppression of dislocation movements. Being dependent on a complex multitude of factors, efficient DS requires considerably more fundamental studies to generate a complete picture. Therefore, this thesis also deals with the mechanism.Thirdly, among the wide variety of material classes used in high-performance industries, NiCu-based alloys enable essential products like heat exchangers, pumps, and valves in key sectors like maritime, energy, and chemistry. A prominent representant of this material category is Alloy 400. However, barely any knowledge is available on this alloy when manufactured additively, restricting its potential application. Consequently, the material is covered in this thesis as well. Combining these subject areas, this thesis establishes holistic process routes for Laser Powder Bed Fusion of Dispersion Strengthened Alloy 400 variants. It is documented how to generate powder feedstocks for laser beam powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) via gas atomization of Alloy 400 and the peculiarities of powders and parts are disclosed. Copper segregations on both grain boundaries and cell walls such as high dislocation densities throughout the micro dendritic structure were found. Due to the overall finer grain structure of the AM variant, tensile properties increased, and elongation lowered compared to CM. Based on the findings of unmodified standard Alloy 400, two successful DS modification routes were elaborated for the present alloy. The first one is based on a gas atomization reaction synthesis (GARS) principle. The feasibility of nanoparticle formation in situ during atomization due to reaction of the atomization gas with the melt was demonstrated. The ceramics were identified as TiN and they successfully limited dislocation movement throughout the matrix via pinning. This resulted in considerably improved mechanical properties compared to the standard PBF-LB/M variant. The second modification approach applied an ex situ powder modification in a fluidized bed reactor (FBR). Enabled by nitrogen diffusion, a high number of TiN was generated in powders which was again significantly increased after AM, allowing for outstanding tensile, creep, and fatigue performance.Therefore, several alloy systems have been developed and qualified for use in AM while enabling outstanding properties.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030985189

Interne Identnummern
RWTH-2025-03342
Datensatz-ID: 1009108

Beteiligte Länder
Germany