Erforschung der mikrostruktur- und defektkontrollierten Schadenstoleranz von Gitterstrukturen bei Raumtemperatur und 650 °C auf Basis der E-PBF prozessierten Nickelbasislegierung Inconel 718

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379213719

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Kombination aus Additiver Fertigung, speziell dem PBF-EB/M (engl.: powder bed fusion of metals using electron beam), und der Hochtemperaturlegierung Inconel®718 (IN718) ermöglicht einen innovativen, strukturellen Leichtbau. Durch die kraftflussoptimierte Bauteilgestaltung kann Gewicht eingespart werden. Die Verwendung von nicht-stochastischen, periodischen Gitterstrukturen anstelle von Topologie-optimierten Bauteilen, bieten einen guten Ansatz, um den Simulationsaufwand für strukturellen Leichtbau zu minimieren. IN718 ist eine ausscheidungshärtbare Hochtemperatur-Nickelbasislegierung, die während der Prozessierung mittels PBF-EB/M eine festigkeitssteigende (intrinsische) Wärmebehandlung erfährt. Durch die Verwendung von IN718 im strukturellen Leichtbau werden weite Einsatzgebiete, wie zum Beispiel die Luft- und Raumfahrt, aber auch jeder Anwendungszweck bis 650°C erschließbar. Im Hinblick auf die Lebensdauer sind Kenntnisse über den Fertigungsprozess und seine Auswirkung auf die Bauteilgeometrie, Oberflächenrauheit, Mikrostruktur und daraus resultierende mechanischen Eigenschaften unerlässlich. Rauheiten sind durch den durchschnittlichen Pulverpartikeldurchmesser beeinflusst. Daher ist die Suche nach geeigneten Nachbearbeitungsverfahren, die einen gleichmäßigen und kontrollierbaren Abtrag auch in die Tiefe der Struktur gewährleisten, eine wichtige Fragestellung. Die Charakterisierung der mechanischen quasi-statischen und zyklischen Eigenschaften bei Raum- und Hochtemperatur, sowie die Beurteilung der Mikrostrukturstabilität bei hohen Temperaturen sind notwendige Schritte um den Einsatz von IN718 Gitterstrukturen für den strukturellen Leichtbau zu qualifizieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Effect of miniaturization and surface roughness on the mechanical properties of the electron beam melted superalloy Inconel®718. Progress in Additive Manufacturing, 5(3), 267-276.
  Kotzem, D.; Dumke, P.; Sepehri, P.; Tenkamp, J. & Walther, F.
  
• Damage Tolerance Evaluation of E-PBF-Manufactured Inconel 718 Strut Geometries by Advanced Characterization Techniques. Materials, 13(1), 247.
  Kotzem, Daniel; Arold, Tizian; Niendorf, Thomas & Walther, Frank
  
• Influence of specimen position on the build platform on the mechanical properties of as-built direct aged electron beam melted Inconel 718 alloy. Materials Science and Engineering: A, 772, 138785.
  Kotzem, D.; Arold, T.; Niendorf, T. & Walther, F.
  
• Failure mode map for E-PBF manufactured Ti6Al4V sandwich panels. Engineering Failure Analysis, 121, 105159.
  Kotzem, D.; Tazerout, D.; Arold, T.; Niendorf, T. & Walther, F.
  
• Microstructure and strain rate-dependent deformation behavior of PBF-EB Ti6Al4V lattice structures. Materials Testing, 63(6), 529-536.
  Kotzem, Daniel; Gerdes, Lars & Walther, Frank
  
• Position-dependent mechanical characterization of the PBF-EB-manufactured Ti6Al4V alloy. Progress in Additive Manufacturing, 7(2), 249-260.
  Kotzem, Daniel; Höffgen, Alexandra; Raveendran, Rajevan; Stern, Felix; Möhring, Kerstin & Walther, Frank
  
• „Ganzheitliche Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens PBF-EB-gefertigter Ti6Al4V-Gitterstrukturen“. Werkstoffprüfung 2021 - Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand, ISBN 978-3-941269-98-9, 74-79 (2021)
  Kotzem, D.; Raveendran, R. & Walther, F.
  
• Mechanical Assessment of PBF-EB Manufactured IN718 Lattice Structures. Proceedings in Engineering Mechanics, 3-18. Springer International Publishing.
  Kotzem, Daniel & Walther, Frank
  
• Electron beam powder bed fusion for direct microstructure design – In-depth analysis of prospects and limitations of the multi spot scanning strategy. Journal of Manufacturing Processes, 108, 485-497.
  Arold, Tizian; Suckau, Andreas; Böhm, Stefan; Krooß, Philipp & Niendorf, Thomas
  
• Ti6Al4V lattice structures manufactured by electron beam powder bed fusion - Microstructural and mechanical characterization based on advanced in situ techniques. Journal of Materials Research and Technology, 22, 2111-2130.
  Kotzem, Daniel; Arold, Tizian; Bleicher, Kevin; Raveendran, Rajevan; Niendorf, Thomas & Walther, Frank