Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren und mechanische Eigenschaften von Haynes 188 (GH5188)
Haynes 188 (GH5188) wird aufgrund seiner ausgewogenen Hochtemperaturleistung (maximale Betriebstemperatur 980°C) in Brennkammern von Hochleistungsgasturbinen eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften von Haynes 188, das durch Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) hergestellt wird, wurden bisher nicht gründlich untersucht. In dieser Studie untersuchten unsere Ingenieure systematisch die Entwicklung des LPBF-Prozesses und die mechanischen Eigenschaften von Haynes 188 sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen.
Chemische Zusammensetzung von Truer Haynes 188 Pulver:
Die Proben wurden in zwei Gruppen gedruckt:
Gruppe 1 bestand aus 16 Proben mit den Abmessungen 20 × 12 × 10 mm³ für die Bewertung der Verdichtungscharakterisierung und die Zugprüfung. Der Passierabstand (d) und die Schichtdicke (h) wurden auf 70 μm bzw. 30 μm festgelegt, während die Laserleistung (P) und die Scangeschwindigkeit (v) von 150 bis 300 W bzw. 600 bis 1200 mm/s variiert wurden.
Nach Ermittlung der optimalen Parameter wurden in Gruppe 2 90×25×14 mm³ und 35×12×18 mm³ große Proben für Hochtemperatur-Kriech- bzw. Zugversuche verwendet.
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur:
Die Bewertung der Anisotropie wurde an Proben durchgeführt, die eine ausgezeichnete Gesamtleistung aufweisen. Eine signifikante mechanische Anisotropie wurde in den Richtungen LPBF-H (horizontal) und LPBF-V (vertikal) beobachtet: Die Richtung LPBF-V wies eine höhere Plastizität (Dehnung 70,7%), aber eine geringere Festigkeit (YS: 650 MPa, UTS: 897 MPa) auf.
Mikrostruktur:
Die schnelle Erstarrung während des LPBF-Prozesses führt zu einem Kornwachstum entlang der Richtung des Wärmeflusses, wodurch eine säulenförmige Dendritenstruktur entsteht, die zu richtungsabhängigen Unterschieden in den Materialeigenschaften führt.
Diese Abbildung zeigt unterschiedliche Kornmorphologien bei den optimalen LPBF-Parametern. Der Bereich parallel zur Baurichtung (BD) weist eine gemischte Mikrostruktur auf, die von einer säulenförmigen Morphologie dominiert wird, mit einer moderaten - und -Textur. Diese Textur entsteht durch epitaktisches Wachstum entlang der Schmelzbadgrenze unter hohen Temperaturgradienten, wobei Körner aus der zuvor erstarrten Schicht als Keimbildungsstellen für nachfolgende Schichten dienen.
Morphologie von Brüchen:
Die Bruchmorphologie bestätigt einen duktilen Bruchmechanismus, der durch Grübchen und Rissgrate mit gelegentlicher unverschmolzener Porosität gekennzeichnet ist. Vertikal aufgebaute Proben weisen größere Rissgrate und eine unregelmäßige Topografie auf, was einer geringeren Festigkeit, aber einer höheren Dehnung entspricht. Horizontal aufgebaute Proben weisen feinere, gleichmäßiger verteilte Grübchen auf, was auf eine höhere Festigkeit hindeutet.
Mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen:
Die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen wurden an Proben bewertet, die mit optimierten Parametern hergestellt wurden. Bei 650 °C wurde ein Fließverhalten vom Typ B beobachtet, das durch schnelle, kleine Schwankungen um die mittlere Fließspannung gekennzeichnet ist. Dieses Verhalten wird auf wiederholtes Pinning und Depinning von Versetzungen durch gelöste Atome (Cr, Co und W) über Diffusion zurückgeführt, wobei sich lokale Banden hüpfend entlang der Zugachse ausbreiten.
Die signifikante Verbesserung der Dehnung (75,9% bei 850°C) steht im Zusammenhang mit der Vergröberung/Auflösung von Ausscheidungen und der verstärkten Ko-Migration von Versetzungen und gelösten Stoffen.
Obwohl das Material bei 980 °C weiter erweicht, behält es immer noch eine beachtliche Streckgrenze von 276 MPa, was auf eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit hinweist.
Im Vergleich zu Haynes 188, das mit herkömmlichen Guss- und Schmiedeverfahren hergestellt wurde, weist die mit LPBF hergestellte Haynes 188-Legierung über den gesamten Temperaturbereich bessere mechanische Eigenschaften auf. Die Legierung im abgeschiedenen Zustand weist bei 850 °C eine Streckgrenze von 438 MPa auf, die deutlich über den in der Literatur angegebenen 281 MPa liegt, was auf die feine Gefügekontrolle zurückzuführen ist.
Schlussfolgerung:
LPBF-Teile aus Haynes 188 erreichten hohe Raumtemperatureigenschaften mit einer Streckgrenze von 756 MPa, einer Zugfestigkeit von 1067 MPa und einer Dehnung von 60,2%.
LPBF-Proben von Haynes 188 bewahrten eine bemerkenswerte mechanische Stabilität bei hoher Temperatur (stationäre Kriechrate von 1,04×10-4 s-¹ bei 750°C) und Festigkeit (Streckgrenze von 276 MPa bei 980°C).
