Effect of Component Geometry and Build Orientation on the Microstructure and Mechanical Properties of Nickel Superalloys Manufactured with Laser Powder Bed Fusion

Metal laser powder bed fusion (PBF-LB/M) enables high geometric design freedom. However, the resulting PBF-LB/M microstructure depends on several factors, including process parameters, part geometry, build orientation and post-processing (e.g. heat treatment) etc. The correlation between the PBF-LB/M microstructure and the influencing factors is not yet sufficiently researched or understood. Thus, there is currently a lack of transferable databases and reproducible test procedures, especially for high temperature materials. Since the geometry of components used in applications generally differs from standard witness samples, it must be investigated whether directly printed PBF-LB/M witness samples exhibit comparable material properties to samples extracted from components. Within the scope of this thesis, a generic component was designed with application-relevant geometric features, such as overhangs, changes in cross-section, etc. Witness samples were integrated within the generic component, which combined, form the Sample Extraction Component (SEC). The (witness) samples are manufactured in three build orientations: 0° (perpendicular to the build direction), 45° and 90° (parallel to the build direction). The samples extracted from the SEC are microstructurally and mechanically characterized and compared to the results of witness samples. The materials used were IN718 and IN738LC. The Ni superalloy IN738LC is challenging to process using PBF-LB/M due to its crack susceptibility. Although the mechanical properties are promising for high temperature applications, PBF-LB/M IN738LC is not yet commonly used in application. In comparison, PBF-LB/M IN718 is already used in high temperature applications. Microstructural differences regarding phase formation and distribution were found between witness and extracted samples and are attributed to the difference in solidification conditions during the PBF-LB/M process itself. The grain sizes differ, with the largest grain size found in the witness samples. The samples extracted from the SEC show smaller grains. The difference in grain sizes also causes differences in mechanical properties. The Vickers hardness of extracted samples is higher compared to witness samples. The tensile and yield strengths of the extracted samples are significantly higher than those of witness samples. The IN738LC creep properties differ from those of IN718 due to phase formation and different creep deformation mechanisms taking place

Selektives Laserstrahlschmelzen metallischer Materialien (engl.: Metal Laser Powder Bed Fusion; PBF-LB/M) ermöglicht durch den schichtweisen Bauteilaufbau hohe geometrische Freiheitsgrade. Die resultierende PBF-LB/M-Mikrostruktur hängt dabei von mehreren Faktoren ab, darunter Prozessparameter, Bauteilgeometrie, Aufbauorientierung sowie Nachbearbeitungsprozesse (bspw. Wärmebehandlung). Insbesondere für den zuverlässigen Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen aus PBF-LB/M-Prozessen fehlt es derzeit sowohl an einer zuverlässig übertragbaren Datenbasis als auch an reproduzierbaren Prüfvorschriften. Da sich die Geometrie realer Bauteile von zur Kennwertermittlung standardmäßig verwendeten zylinderförmigen Proben unterscheidet, muss untersucht werden, ob direkt gedruckte PBF-LB/M fertigungsbegleitende Proben vergleichbare Materialeigenschaften aufweisen, als aus Bauteilen entnommene Proben. Zu diesem Zweck wurde ein generisches Bauteil entworfen. Das generische Bauteil repräsentiert anwendungsrelevante geometrische Merkmale, wie bspw. Überhänge, Querschnittsänderungen usw. Weiterhin wurden fertigungsbegleitende Proben innerhalb des generischen Bauteils integriert. Die Kombination aus fertigungsbegleitenden Proben und generischen Bauteil bildet das Probeentnahmebauteil. Die Proben haben relativ zur Baurichtung folgende Orientierungen: 0°, 45° und 90°. Um den Einfluss der geometrischen Merkmale beurteilen zu können, wurden zum Vergleich fertigungsbegleitende Proben in denselben Bauorientierungen gefertigt. Die entnommenen Proben wurden mikrostrukturell untersucht, auf ihre mechanischen Eigenschaften geprüft und mit den Ergebnissen der fertigungsbegleitenden Proben verglichen. Als Werkstoffe wurden die Legierungen IN718 und IN738LC verwendet. Die Ni Superlegierung IN738LC ist aufgrund der Rissanfälligkeit herausfordernd mittels PBF-LB/M zu verarbeiten. Obwohl die mechanischen Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen vielversprechend sind, ist PBF-LB/M IN738LC noch kein gängiges Einsatzmaterial. Im Gegensatz wird IN718 aus additiver Fertigung bereits in Hochtemperaturanwendungen verwendet. Mikrostrukturelle Unterschiede in Phasenbildung und -verteilung zwischen fertigungsbegleitenden Proben und entnommenen Proben lassen sich auf den PBF-LB/M-Prozess zurückführen. Die Korngrößen unterscheiden sich zwischen den Geometrien, wobei die aus dem Probenentnahmebauteil entnommenen Proben kleinere Körner aufzeigen. Durch den Unterschied in den Korngrößen werden auch Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften hervorgerufen. Entnommene Proben zeigen höhere Vickershärten im Vergleich zu fertigungsbegleitenden Proben auf. Die Zugfestigkeit und die Streckgrenze der entnommenen Proben liegen deutlich über denen der fertigungsbegleitenden Proben. Die IN738LC Kriecheigenschaften unterscheiden sich von denen von IN718, was auf die Phasenbildung und unterschiedliche Kriechdeformationsmechanismen zurückzuführen ist.