Rene 125
Die Legierung Rene125 ist eine gerichtet erstarrte Superlegierung auf Nickelbasis mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, hervorragender Oxidationsbeständigkeit und bemerkenswerter Kriechfestigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sie sich besonders für Hochtemperaturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, z. B. für Turbinenschaufeln. Die herkömmliche Technologie der gerichteten Erstarrung (Directional Solidification, DS) bietet zwar Vorteile bei der Herstellung großflächiger gerichteter Kristallstrukturen, ist jedoch kostspielig und komplex. Das Laser-Pulver-Bett-Schmelzen (LPBF) bietet eine Alternative durch Punkt-für-Punkt-Abtastung mit Hochenergielasern und ultrahohe Abkühlungsraten, wodurch eine ähnliche Mikrostruktur möglich wird.
Das in dieser Studie verwendete Rene125-Pulver wurde von Truer Technology Co. bereitgestellt. Das Pulver wurde durch Gaszerstäubung mit einer Partikelgröße von 15-53 μm hergestellt.
| SEM-Bilder von Rene125-Pulver mit PSD 15-53um |
Experimentelle Methode:
Vor dem LPBF-Verfahren wurden die Pulver 2 Stunden lang in einem Ofen bei 130 °C getrocknet, um Feuchtigkeit zu entfernen und ihre Fließfähigkeit zu verbessern. Alle Proben wurden auf Einkristallsubstraten hergestellt, die mit DS präpariert wurden. Die Schichtdicke (30 μm), der Abtastabstand (100 μm) und der Abtastwinkel zwischen den Schichten (67°) wurden konstant gehalten. Verschiedene Laserleistungen (180/240/300/360 W) und Scangeschwindigkeiten (400/500/600/700/800/900 mm/s) wurden für die Parameteroptimierung ausgewählt, um die beste Kombination zu ermitteln. Für die Mikrostrukturierung wurden kubische Proben mit den Abmessungen 8 mm (Länge) × 8 mm (Breite) × 8 mm (Höhe) und Zugproben mit einer Länge von 30 mm parallel zur Baurichtung hergestellt.
| LPBF-Probe und Gebäuderichtung |
Das heiß-isostatische Pressen (HIP) wurde bei einem konstanten Druck von 120 MPa unter Argon-Atmosphäre eingestellt, und drei verschiedene Temperaturen wurden ausgewählt - 1050 ° C, 1150 ° C und 1230 ° C, um die Proben zu behandeln, die jeweils als HIP-1050, HIP-1150 und HIP-1230 gekennzeichnet wurden. Während der HIP-Behandlung wurde die Erhitzungsrate bei 10°C/min gehalten. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurde sie 3 Stunden lang isotherm gehalten und dann mit dem Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt.
Erstarrungsriss:
| Erstarrungsrisse der LPBF-Probe von Rene 125 |
In Übereinstimmung mit früheren Studien über LPBF-behandelte Nickelbasis-Superlegierungen bestehen die inneren Risse in der ursprünglichen Probe hauptsächlich aus Erstarrungsrissen. Die mit einer Laserleistung von 360 W und einer Scangeschwindigkeit von 700 mm/s hergestellte Probe wurde ausgewählt, um den Rissbildungsmechanismus zu untersuchen. Die Mikrostruktur des typischen Erstarrungsrisses weist intergranulare Brucheigenschaften entlang der Dendritengrenze auf. Im Inneren des Risses wurden offensichtliche primäre Dendriten- und sekundäre Dendritenarm-Morphologien beobachtet.
| EPMA-Elementverteilungsbild |
EPMA-Ergebnisse vergleichen Risse und intakte Bereiche in der Nähe der Rissspitze. Die offensichtliche Entmischung der gelösten Elemente (Hf, Ti, Ta) an den Korngrenzen erzeugt die charakteristische glatte Erstarrungsmorphologie des Flüssigkeitsfilms. Während des schnellen Erstarrungsprozesses führt das lokale Schmelzen des niedrigschmelzenden Eutektikums an den Korngrenzen zum Reißen des Flüssigkeitsfilms unter thermischer Belastung. Nachfolgende thermische Zyklen aus sich überlagernden Schmelzepools verstärken die Rissausbreitung durch wiederholte Verflüssigungs-Erstarrungsprozesse.
Einfluss der HIP-Temperatur auf die Entwicklung der Mikrostruktur:
| Mikrostruktur bei unterschiedlicher HIP-Temperatur |
Die HIP-behandelten Proben wurden alle mit den optimalen Prozessparametern von 300 W/900 mm/s hergestellt. Die obige Abbildung zeigt die Mikrostruktur der Rene125-Legierung, die bei 1050°C, 1150°C bzw. 1230°C HIP-behandelt wurde. Auf der Makroebene (300 μm) weist die 1050°C-HIP-Probe noch einige nicht verheilte Risse und unregelmäßige Poren auf, was darauf hindeutet, dass der diffusionsbedingte Porenbeseitigungsmechanismus bei dieser Temperatur nicht ausreichend aktiviert ist. Wenn die HIP-Temperatur auf 1150 °C ansteigt, nimmt die Anzahl der Poren deutlich ab, und die verbleibenden Poren sind kugelförmig (Durchmesser <5 μm), was darauf hindeutet, dass genügend Wärmeenergie für das plastische Fließen und die Diffusionsbindung vorhanden ist. Bei einer HIP-Behandlung bei 1230 °C erreicht die Probe eine nahezu vollständige Verdichtung, und die Poren werden vollständig beseitigt, was darauf hindeutet, dass Massendiffusion und Korngrenzengleiten den Verdichtungsprozess bei hohen Temperaturen dominieren.
Die 1050°C-HIP-Probe behält während des LPBF-Prozesses säulenförmige Kornstrukturen bei, obwohl es an den Korngrenzen eine offensichtliche Keimbildung rekristallisierter Körner gibt. Die 1150°C-HIP-Probe zeigt eine deutlichere Rekristallisation und bildet ein zweiphasiges Gefüge aus gleichachsigen Körnern und säulenförmigen Restkörnern. Entlang der Korngrenzen sind reichlich weiße Ausscheidungen zu beobachten. Nach der HIP-Behandlung bei 1230 °C erfolgt eine nahezu vollständige Rekristallisation. Das Mikrogefüge der HIP-1230-Probe wandelt sich von groben säulenförmigen Kristallen zu gleichachsigen Körnern mit geraden Korngrenzen, was mit der beschleunigten Korngrenzenwanderung bei hohen Temperaturen übereinstimmt. Die Anzahl der weißen Korngrenzenausscheidungen ist im Vergleich zum Zustand bei 1150 °C deutlich reduziert.
Schlussfolgerungen
Die Rissbildung in einer LPBF-behandelten Rene125-Legierung ist hauptsächlich auf die Konzentration von Korngrenzenspannungen und die Entmischung der eutektischen Phase mit niedrigem Schmelzpunkt im Überlappungsbereich des Schmelzbades zurückzuführen. Eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit fördert den Übergang vom Schlüssellochmodus zum Leitungsmodus, was das gerichtete Kornwachstum fördert und die Rissbildung mindert.
Die HIP-Behandlung heilt Risse und Poren, die bei der LPBF entstanden sind, wirksam. Bei einer HIP-Behandlung bei 1230 °C wird eine nahezu vollständige Verdichtung erreicht, begleitet von einer vollständigen Rekristallisation und einer deutlichen Verringerung der Versetzungsdichte.
