High temperature fatigue behaviour of nickel base superalloys manufactured conventionally and via selective laser melting and hot isostatic pressing
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurden zunächst die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften der lasergeschmolzenen Nickelbasissuperlegierung IN 718 zusammengefasst. Die Proben wurden sowohl im Zustand direkt nach der SLM-Fertigung als auch in verschiedenen, nachbehandelten Zuständen wie „lösungsgeglüht (L)“, „heißisostatisch gepresst (H)“, „Arc-PVD Beschichtung + heißisostatisch gepresst (P+H)“, „lösungsgeglüht + ausscheidungsgehärtet (L+A)“, „heißisostatisch gepresst + ausscheidungsgehärtet (H+A)“ und „Arc-PVD Beschichtung + heißisostatisch gepresst + ausscheidungsgehärtet (P+H+A)“ hinsichtlich der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften untersucht. Zur Charakterisierung des Werkstoffs hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wurden zunächst quasistatische Versuche bei Raumtemperatur (RT) und hohen Temperaturen für die unterschiedlich nachbehandelten Proben durchgeführt. Anschließend erfolgten Ermüdungsversuche für die o.g. Nachbehandlungszustände. Zudem wurden vor und nach den mechanischen Untersuchungen ausführliche mikrostrukturelle Untersuchungen durchgeführt, um das mechanische Verhalten erklären zu können. Dabei kamen unter anderem die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die Computertomografie (µCT), die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) sowie Härtemessungen zum Einsatz. Um die Porosität im Ausgangszustand zu reduzieren, wurde der HIP-Prozess verwendet. Anschließend wurde der Einfluss des HIP-Prozesses auf die Porosität, die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften analysiert und bewertet. Da der HIP-Prozess oberflächennahe Poren nicht schließen kann, wurden zusätzlich Proben mit einer funktionalen Beschichtung durch das Arc-PVD Verfahren gekapselt. Die mechanischen und mikrostrukturellen Auswirkungen der Arc-PVD Beschichtung wurden ebenfalls untersucht. Zudem führt die Verarbeitung der IN 718-Legierung mittels selektiven Laserstrahlschmelzens zu einer kolumnaren und in Aufbaurichtung gestreckten Mikrostruktur direkt nach dem Fertigungsprozess bzw. im „wie gebaut“ Zustand. Aufgrund der hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten orientieren sich die Körner in Aufbaurichtung bzw. in [001]-Richtung. Zudem können feine Laves-Phasen und Zellsubstrukturen im „wie gebaut“ Zustand gefunden werden. Bei Einsatz des heißisostatischen Pressens (HIP) nach dem Fertigungsprozess wurde eine Rekristallisation im Material detektiert. Die mikrostrukturelle Entwicklung der lasergeschmolzenen IN 718-Legierung wird stark durch den HIP-Prozess beeinflusst. Die vorherige Arc-PVD Beschichtung zeigt keinen signifikanten Einfluss auf die Mikrostruktur. Zudem wurden die Zellstrukturen nach dem HIP-Prozess aufgelöst. γ´´- Ausscheidungen, welche sich während der Ausscheidungshärtung bilden, verbessern die LCF-Eigenschaften im „L+A“ Zustand, insbesondere bei kleinen Dehnungsamplituden bei 650 °C. Die Zustände „H“ und „P+H“ zeigten bei 650 °C die niedrigste Spannungsamplitude unter zyklischer Belastung. Die Rissinitiierung wird durch mikrostrukturelle Vorgänge d.h. das Schneiden von Ausscheidungen sowie die Bildung von Gleitbändern während der zyklischen Belastung bei RT sowie 650 °C hervorgerufen. Zudem konnte kein signifikanter Einfluss der Arc-PVD Beschichtung auf die mechanischen Eigenschaften festgestellt werden. Die Lebensdauer im Ausgangszustand sowie im „L+A“ Zustand sinkt unter zyklischer Belastung mit steigender Temperatur. Im Ausgangszustand beträgt die relative Dichte etwa 99,917 % und der Ar-Gehalt liegt unter 0,3 ppm. Es sind unregelmäßige Hohlräume zwischen den Bereichen Hülle und Kern vorhanden. Nach einer Anpassung des HIP-Prozesses nimmt die relative Dichte auf 99,998 % zu. Außerdem konnten die Kriecheigenschaften durch die Auflösung der Laves Phase und die Bildung von Ausscheidungen verbessert werden. Zudem zeigen die Proben unterschiedliches Verhalten von Eigenspannungen in verschiedenen Richtungen. Aus diesem Grund wurde die Entwicklung von Eigenspannungen und deren Einflüsse auf die Beschichtbarkeit des Materials sowie die mechanischen Eigenschaften ebenfalls untersucht. Die im Projektverlauf gewonnenen Ergebnisse liefern die Grundlage zur Verbesserung der Eigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen, wie beispielsweise in Verdichter- und Turbinenschaufeln.
Publications
-
Coatability of IN 718 components by means of selective laser melting, MCIC 2016, Materials Chain, UA Ruh
W. Tillmann, C. Schaak, M. Schaper, M.E. Aydinöz
-
Inconel 939 processed by selective laser melting: Effect of microstructure and temperature on the mechanical properties under static and cyclic loading, Materials Science and Engineering A, Vol. 588, pp. 188-195, 2013
P. Kanagarajah, F. Brenne, T. Niendorf, H.J. Maier
-
Low-cycle fatigue behavior of IN 718 superalloy processed by SLM, Junior Euromat 2014, Lausanne, Switzerland
M.E. Aydinöz, M. Schaper, C. Schaak, W. Tillmann, T. Niendorf
-
Functional encapsulation of laser melted Inconel 718 by Arc-PVD and HVOF for post compacting by hot isostatic pressing, Powder Metallurgy, Vol. 58, Iss. 4, 2015, pp. 259-264
W. Tillmann, C. Schaak, J. Nellesen, M. Schaper, M.E. Aydinöz, T. Niendorf
-
IN 718 processed by selective laser melting: Effect of precipitation hardening and hot isostatic pressing on the low-cycle fatigue behavior at 650 °C, The German Association for Materials Research and Testing (DVM), "Additively manufactured components and structures", DVM Report 401, ISSN 2509-8772, Berlin, 2016, pp. 141-150
M.E. Aydinöz, C. Schaak, F. Hengsbach, K.-P. Hoyer, T. Niendorf, W. Tillmann, M. Schaper
-
Microstructural design of Ni-base alloys for high-temperature applications: impact of heat treatment on microstructure and mechanical properties after selective laser melting, Progress in Additive Manufacturing., Vol.1, Iss. 3, 2016, pp. 141-151
F. Brenne, A. Taube, M. Pröbstle, S. Neumeier, D. Schwarze, M. Schaper, T. Niendorf
-
On the microstructural and mechanical properties of post-treated additively manufactured Inconel 718 superalloy under quasi-static and cyclic loading, Materials Science and Engineering A, Vol. 669, 2016, pp. 246-258
M.E. Aydinöz, F. Brenne, M. Schaper, C. Schaak, W. Tillmann, J. Nellesen, T. Niendorf
-
Process gas infiltration in Inconel 718 samples during SLM processing, RTejournal - Forum für Rapid Technologie, Vol. 2016, Iss.1
C. Schaak, W. Tillmann, M. Schaper, M.E. Aydinöz
-
Hot isostatic pressing of IN 718 components manufactured by selective laser melting, Additive Manufacturing, Vol. 13, 2017, pp. 93-102
W. Tillmann, C. Schaak, J. Nellesen, M. Schaper, M.E. Aydinöz, K.-P. Hoyer
