Das Werkstoffverhalten von Stahl im Laser Powder Bed Fusion Prozess

Bültmann, Jan Robert Zeno; Bremen, Sebastian; Bleck, Wolfgang; Krupp, Ulrich

doi:10.18154/RWTH-2022-03889

Das Werkstoffverhalten von Stahl im Laser Powder Bed Fusion Prozess

Bültmann, Jan Robert Zeno

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Jan Robert Zeno Bültmann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Bremen, Sebastian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-03889
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/844406/files/844406.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Anisotropie (frei) ; Gefüge (frei) ; LPBF (frei) ; Legierungselemente (frei) ; SLM (frei) ; Stahl (frei) ; additive Fertigung (frei) ; mechanische Eigenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Dissertation wird eine Übersicht über die bisher im Laser Powder Bed Fusion Prozess in wissenschaftlichen Veröffentlichungen untersuchten Stähle gegeben und der Einfluss verschiedener sowohl metallkundlicher als auch prozessbedingter Phänomene auf ihre anisotropen, mechanischen Eigenschaften im einachsigen Zugversuch zu beleuchtet.Sowohl durch eine Literaturrecherche als auch durch Untersuchungen an drei verschiedenen, hochlegierten Stählen, dem austenitischen, hochmanganhaltigen Stahl X30Mn22, dem martensitaushärtenden Werkzeugstahl X3NiCoMoTi18-9-5 und dem nichtrostenden, austenitischen Stahl X2CrNiMo17-12-2 werden die mechanischen Eigenschaften und die unterschiedlichen Ausprägungen der Anisotropie aufgezeigt, sowie mögliche Gründe und Einflüsse ermittelt. Als mögliche Gründe für die Anisotropie werden Gefügebestandteile, wie Schmelzlinsengrenzen, Dendriten, Korngrenzen, Poren, Anbindungsfehler, Risse, Einschlüsse und kristallographische Textur, aber auch die Oberflächenrauheit aufgeführt und diskutiert. Dabei führen eine ausgeprägte Textur und lange in Aufbaurichtung gestreckte Körner zu höheren Festigkeiten der liegend gebauten Proben, aber zu höheren Dehnungen der stehenden Proben. Anbindungsfehler sind oft Rissstarter und senken damit die Duktilität mit steigendem Aufbauwinkel. Risse reduzieren entsprechend ihrer Lage üblicherweise die Duktilität liegender Proben. Poren, Einschlüsse, Dendriten und Oberflächenrauheit tragen weniger zur Anisotropie der mechanischen Eigenschaften im einachsigen Zugversuch bei.Der Einfluss der Legierungselemente der verschiedenen Stähle wirkt sich am stärksten auf die Riss- und Porenbildung sowie auf Anbindungsfehler aus. Die Neigung zu Rissen und Gasporen hängt unter anderem vom Kohlenstoffgehalt ab. Karbidbildner mindern seinen Einfluss. Auch Silizium und Chrom können die Rissgefahr erhöhen. Schwefel und Oxide erhöhen die Gefahr von Anbindungsfehlern. Die Gefügebestandteile und damit die Anisotropie selbst können durch die Prozessparameter inklusive Vorheiztemperatur und Scanstrategie gezielt beeinflusst werden. Neben den Prozessparametern können auch nachgeschaltete Wärmebehandlungen die Anisotropie beeinflussen, wenn durch sie Kornform, Textur oder Anbindungsfehler verändert werden.

The present thesis provides an overview of the steels that have been examined in scientific publications in the Laser Powder Bed Fusion process and the influence of various metallurgical and process-related phenomena on their anisotropic, mechanical properties in uniaxial tensile testing. The review of the literature and the investigations on three different, high-alloyed steels, the austenitic, high-manganese steel X30Mn22, the martensitic hardening tool steel X3NiCoMoTi18-9-5 and the stainless, austenitic steel X2CrNiMo17-12-2, reveal the mechanical behavior and the different characteristics of the anisotropy. Possible reasons and influences are determined. Microstructural features such as melt pool boundaries, dendrites, grain boundaries, gas pores, lack of fusion pores, cracks, inclusions, and crystallographic texture as well as surface roughness are mentioned and discussed as possible reasons for the anisotropy. A prominent texture and elongated grains parallel to the build-direction lead to higher strengths for the horizontally built specimens, but to higher elongations for the vertically built specimens. Lack of fusion pores are often crack starters and thus reduce ductility with an increasing building angle. Depending on their direction, cracks usually reduce the ductility of horizontally built specimens. Pores, inclusions, dendrites, and surface roughness contribute less to the anisotropy of the mechanical properties in the uniaxial tensile test. The influence of the alloying elements of the different steels has the greatest effect on the formation of cracks, gas pores and lack of fusion pores. The tendency to form cracks and gas pores depends, among other things, on the carbon content. Carbide forming elements reduce the influence of carbon. Silicon and chromium can also increase the risk of cracking. Sulfur and oxides increase the risk of lack of fusion pores. The microstructural features and thus the anisotropy itself can be specifically influenced by the process parameters including preheating temperature and scanning strategy. Additionally, post process heat treatments can also influence the anisotropy if they change the grain morphology, crystallographic texture, or lack of fusion pores

OpenAccess:
PDF
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