Kontrolle von Oxideinschlüssen in ODS FeCrAl-Stahl durch LPBF-Parameter

Kontrolle von Oxideinschlüssen in ODS FeCrAl-Stahl durch LPBF-Parameter

Der Wärmeeintrag korreliert mit der Geometrie des Schmelzbads und dem Gehalt an Oxideinschlüssen. Unsere Forscher haben die Parameter für das Laser-Pulverbettschmelzen geändert, um einen ODS-FeCrAl-Stahl ohne Y-Al-O-Oxideinschlüsse aus einer Fe-22Cr-5,1Al-0,5Ti-0,26Y- und TiO₂-Pulvermischung herzustellen. Diese Forschung bietet eine praktikable Methode für die In-situ-Entfernung von Oxideinschlüssen aus Legierungen während PBF-Prozessen.

Oxideinschlüsse in Legierungen können die Ermüdungslebensdauer von Bauteilen beeinträchtigen und in Meerwasserumgebungen zu bevorzugten Korrosionsstellen werden.

Bei der Herstellung von FeCrAl-ODS-Stahl nach dem PBF-Verfahren entstehen aufgrund der hohen Affinität von Y und Al zu O Y-Al-Oxideinschlüsse. Das Vorhandensein von Y-haltigen Oxideinschlüssen ist ein häufiges Problem bei der additiven Fertigung von oxiddispersionsgehärteten Stählen.

In dieser Studie wurde ein vorlegiertes Pulver aus Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y (wt.%) gemischt mit 0.5 wt% TiO₂ (50 nm, 99.99% Reinheit) Pulver als Sauerstoffträger verwendet. Die Proben mit den Abmessungen 70 × 10 × 15 mm³ (Länge × Breite × Höhe) wurden mit einem Laser-Pulverbett-Fusionssystem (LPBF) hergestellt. Die Prozessparameter waren: Laserleistung P = 300 W, Scangeschwindigkeit v = 834 mm/s bis 1318 mm/s, Punktabstand h = 110 μm und Schichtdicke t = 30 μm. Es wurde eine bidirektionale Scanstrategie mit einer 90°-Drehung zwischen aufeinanderfolgenden Schichten angewandt. Vor dem Druck wurde das Weichstahlsubstrat auf 150 °C vorgeheizt.

Mit zunehmender Wärmezufuhr zum Schmelzesee (d. h. mit abnehmender Scangeschwindigkeit) vergrößert sich die Querschnittsfläche des Schmelzesees, und die Umschmelzung zwischen benachbarten Schmelzeseen verbessert sich. Dieses verbesserte Umschmelzen fördert das epitaktische Kornwachstum aus der zuvor erstarrten Zone in den aktuellen Schmelzesee, was zu einer Kornvergröberung führt. Die Schmelzbadgeometrie (Tiefe und Breite) wurde mit einem optischen Messsystem quantitativ charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiefe und Breite des Schmelzesees mit zunehmendem Wärmeeintrag zunahm. Wurde der Wärmeeintrag auf 109 J/mm³ erhöht, durchlief eine abgeschiedene Schicht während des Druckprozesses sechs Umschmelzzyklen.

Die weitere mikrostrukturelle Charakterisierung ergab, dass eine Erhöhung der Wärmezufuhr die Y-Al-O-Oxideinschlüsse wirksam aus der Probe entfernte. Bei einem Wärmeeintrag von 109 J/mm³ waren die Y-Al-O-Oxideinschlüsse in der Matrix kaum noch sichtbar (weniger als 0,1%).

Die Erhöhung der Wärmezufuhr führt jedoch zu einer Vergröberung des Korns. Die durchschnittliche Korngröße steigt von 72 μm auf 179 μm. Auch die Größe der Nanopräzipitate nimmt mit zunehmender Wärmezufuhr zu, von 35 nm auf 49 nm. Die Nanopräzipitate haben eine Kern-Schale-Struktur und wurden als Y₂O₃/TiN identifiziert.

Die Ergebnisse der Zugversuche bei Raumtemperatur zeigen, dass trotz der Vergröberung des Gefüges die Streckgrenze der Proben nach zunehmender Wärmezufuhr nur um 37 MPa abnahm und der Bruchmodus duktil war. Die Streckgrenze wird in erster Linie auf Gitterreibungsspannungen, Mischkristallverfestigung, Korngrenzenverfestigung, Ausscheidungsverfestigung und Versetzungsverfestigung zurückgeführt. Unter diesen Verfestigungsmechanismen dominiert die Versetzungsverfestigung den Beitrag zur Streckgrenze des ODS-FeCrAl-Stahls.