Verbesserte Oberflächen für gedruckte Bauteile

Die Additive Fertigung bietet ein grosses Potenzial, Bauteile schnell, mit fast unbegrenzten Geometrien und relativ unabhängig von Prozessketten herzustellen. Gedruckte Bauteile besitzen typischerweise jedoch eine hohe Oberflächenrauigkeit und zahlreiche oberflächennahe Defekte, wodurch die Oxidationsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Ermüdungsfestigkeit, negativ beeinflusst werden. Aus diesem Grund müssen die Oberflächen dieser Bauteile in den meisten Fällen nachbearbeitet werden, wobei unter anderem das Sandstrahlen und Schleifen zum Einsatz kommen. Der Aufwand für die Nachbearbeitung der Oberflächen erhöht sich mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.

Das Packzementierverfahren zeigt hohes Anwendungspotenzial
Das Packzementierverfahren (PC) wird seit Jahrzehnten eingesetzt, um eine Cr-, Si- oder Al-reiche Diffusionsschutzschicht auf der Bauteiloberfläche zu erzeugen, die die Heisskorrosions- und Oxidationsbeständigkeit von Hochtemperaturlegierungen verbessert. Die Packzementierung gehört zu den chemischen Methoden der Gasphasenabscheidung (engl: Chemical Vapor Deposition, CVD), wodurch die Beschichtung über eine Gasphase auf die metallische Substratoberfläche aufgebracht wird. Auf diese Weise können auch komplexe Geometrien durchgehend gut beschichtet werden. Trotz der Vorteile wurde die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf additiv gefertigte Bauteile bisher nicht untersucht.
Genau dies war das Ziel des kürzlich abgeschlossenen IGF-Forschungsprojekts «SLM-Pack» zwischen der Neue Materialien Bayreuth GmbH und dem Dechema-Forschungsinstitut (DFI). Dabei wurde erforscht, welchen Einfluss die Packzementierung von Aluminium auf Bauteile aus Fe- und Ni-Basiswerkstoffen hat, die mit dem Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-Verfahren gedruckt worden waren.

Deutlich verbesserte Ermüdungslebensdauer
Die Ergebnisse sind vielversprechend: So konnte die Oberflächenrauigkeit der aluminierten Proben aller untersuchten Legierungen um 20 Prozentreduziert werden. Weiterhin zeigte sich eine deutlich verbesserte Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu konventionell gefertigten Legierungen, da die packzementierte Aluminiumschicht auf die Rissausbreitung verhindert. Zudem führten die Alitierschichten zu einer deutlichen Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit selbst im Hochtemperaturbereich bis 1000 °C, die auf die Bildung einer schützenden Al2O3-Deckschicht zurückzuführen ist. Damit verbesserte sich die Oxidationsbeständigkeit einer L-PBF-gedruckten Legierung 625 um den Faktor 5, bei einer Legierung 718 sogar um einen Faktor von 17.
Das Forschungsvorhaben «SLM-Pack – Oberflächenveredelung additiv gefertigter Bauteile: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und des Oxidationsverhaltens» wurde von Industriellen Gemeinschaftsforschung IGF gefördert (Förderkennzeichen 21431 N).

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