Additive Fertigung mit der Legierung Invar 36
Einführung
Die Legierung Invar 36 (4J36) (FeNi36) wird als Legierung mit geringer Ausdehnung und als Präzisionslegierung eingestuft. Aufgrund ihres extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CET) bei Temperaturänderungen ist diese Legierung ein unverzichtbarer Werkstoff für Präzisionsgeräte.
Vergleich der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Invar-Legierungen und anderen Legierungen (Durchschnittswert von 20 °C bis 200 °C)
Herkömmliche Herstellung der Legierung FeNi36 (Invar 36)
Zu den traditionellen Fertigungsverfahren für die Legierung Invar 36 zählen vor allem Gießen, Schmieden, Pulvermetallurgie, Schweißen und Walzen.
Was die Komponentenfertigung betrifft, stößt das herkömmliche Fertigungsverfahren auf technische Schwierigkeiten.
– Hohe Neigung zur Kaltverfestigung: Während des Zerspanungsprozesses führen die vom Schneidwerkzeug auf die Invar-Legierung ausgeübte Druckkraft und Reibung zu einer starken plastischen Verformung des Oberflächenmetalls, was einen raschen Anstieg der Härte zur Folge hat. Dies verstärkt den Werkzeugverschleiß erheblich, verringert die Bearbeitungseffizienz und kann zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität des Werkstücks führen.
– Empfindlichkeit gegenüber thermischen Spannungen: Diese Legierung weist eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die beim Zerspanen entstehende Wärme kann nur schwer abgeleitet und schnell verteilt werden, sodass lokal auftretende hohe Temperaturen zu erheblichen thermischen Spannungen führen können. Diese thermischen Spannungen führen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu unkontrollierbaren Verformungen von Präzisionsteilen, wodurch es schwierig wird, die Maßgenauigkeit im Mikrometerbereich aufrechtzuerhalten.
– Hohe Schnittkräfte und schneller Werkzeugverschleiß: Aufgrund der hohen Plastizität und Zähigkeit der Invar-36-Legierung brechen die Späne nicht leicht und neigen dazu, an der Spanfläche des Werkzeugs zu haften, wodurch sich Späneklumpen bilden. Dies erhöht nicht nur die Schnittkraft, sondern verstärkt auch den Adhäsions- und Diffusionsverschleiß des Werkzeugs, was den Einsatz von hochleistungsfähigen, hartmetallbeschichteten Werkzeugen erforderlich macht.
Chemische Zusammensetzung von Invar 36-Pulver (wt%)
TRUER-Chargennummer: 20251124-G
Wenn die Temperatur steigt, wird die durch die atomare Schwingung der Invar-Legierung verursachte Ausdehnung durch deren magnetische Eigenschaft ausgeglichen. Dieser Effekt ist optimal, wenn der Ni-Gehalt 36% beträgt. Eine weitere wichtige Funktion von Ni in der Invar-Legierung besteht darin, als Austenit-Stabilisator zu wirken, wodurch die Invar-Legierung im Betriebstemperaturbereich in der Austenitphase gehalten wird und Maßänderungen aufgrund von Phasenumwandlungen vermieden werden.
In einigen Studien, die auf die Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschaften von Invar-Legierungen abzielten, wurden Spurenelemente wie Mo, Ti, V, Cr und Nb beigemischt, beispielsweise bei TRUER FeNi42Mo. Zwar wurden die Legierungen dadurch festiger und der Betriebstemperaturbereich erweitert, doch führte dies zu einem Anstieg des Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Invar-36-Pulver
Die Erzielung feinerer Körner wirkt sich positiv auf die Leistungssteigerung der Invar-Legierung aus. Was jedoch die Änderung der Zusammensetzung betrifft, lässt sich der Kompromiss zwischen Gewinnen und Verlusten kaum vermeiden.
Physikalische Eigenschaften von Invar-36-Pulver
Additive Fertigung mit Invar-36-Pulver
Zu den wichtigsten Verfahren der additiven Fertigung mit Invar-36-Pulver zählen das selektive Lasersintern (SLS), die Laser-Pulverbettfusion (LPBF), die gerichtete Energieablage (DED), die additive Fertigung mittels Kaltverspritzung (CSAM) und das Adhesive Jetting (BJT) usw.
Im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung bietet die additive Fertigung mehr Kontrolle und Flexibilität hinsichtlich der Mikrostruktur. Darüber hinaus lassen sich mit der additiven Fertigung komplexe Bauteile, Gitterstrukturen, Gradientenwerkstoffe und Verbundwerkstoffe herstellen. Die mittels LPBF hergestellte Invar-36-Legierung weist selbst ohne Wärmebehandlung einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine höhere Zugfestigkeit auf als die durch herkömmliche Fertigungsverfahren hergestellte Legierung.
Eigenschaften der mittels LPBF hergestellten Proben (in Querrichtung)
Mit dem LPBF-Verfahren hergestellte Invar-Legierungen weisen bei Raumtemperatur bemerkenswerte Zugfestigkeitseigenschaften und eine hohe Ermüdungsfestigkeit bei hohen Zyklen auf sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit dem der geschmiedeten Proben vergleichbar oder sogar niedriger ist.
Innerhalb des Standardzusammensetzungsbereichs wird die Streckgrenze der mittels additiver Fertigung hergestellten Superlegierung hauptsächlich durch die Korngröße beeinflusst, während der Wärmeausdehnungskoeffizient vor allem von der Porosität, der Zusammensetzung und den Restspannungen abhängt.
Die Optimierung der Energiedichte und die Steuerung des Temperaturgradienten sind von großer Bedeutung für die Verfeinerung der Kornstruktur und die Verringerung der Porosität.
Die bei der LPBF-Fertigung entstehenden Restspannungen können sich positiv auf die Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auswirken. Aus diesem Grund sind bei der LPBF-Fertigung von Invar-Legierungen kein Spannungsentlastungsglühen oder andere Wärmebehandlungen erforderlich.
