{"id":2033,"date":"2024-10-17T08:54:04","date_gmt":"2024-10-17T08:54:04","guid":{"rendered":"https:\/\/am-printing.com\/?p=2033"},"modified":"2024-10-18T05:56:04","modified_gmt":"2024-10-18T05:56:04","slug":"effect-of-heat-treatment-on-microstructure-and-mechanical-properties-of-lpbf-cucrzr","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/am-printing.com\/de\/effect-of-heat-treatment-on-microstructure-and-mechanical-properties-of-lpbf-cucrzr\/","title":{"rendered":"Einfluss der W\u00e4rmebehandlung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von LPBF CuCrZr"},"content":{"rendered":"
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CuCrZr (C18150) Legierung <\/strong>ist eine ausscheidungsh\u00e4rtende Legierung, die f\u00fcr ihre hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bekannt ist. Die Legierung wird h\u00e4ufig in W\u00e4rmeaustauschger\u00e4ten und auf dem Gebiet der Kernfusion verwendet.<\/p>

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CuCrZr-Legierung<\/strong> ist eine sehr attraktive Legierung, die reines Kupfer in vielen Anwendungen ersetzen kann, mit einem Cr-Gehalt zwischen 0,5 und 1,2 Gew.-% und einem Zr-Gehalt zwischen 0,03 und 0,3 Gew.-%. Au\u00dferdem l\u00e4sst es sich im Vergleich zu reinem Kupfer leichter mit Hilfe der laserbasierten additiven Fertigungstechnik herstellen, die \u00fcber bessere mechanische Eigenschaften verf\u00fcgt und eine ausreichend hohe W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit gew\u00e4hrleistet, die in vielen Anwendungen als effektive Alternative zu reinem Kupfer gilt.<\/p>

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F\u00fcr gef\u00e4lschte CuCrZr-Legierung<\/strong>L\u00f6sungsgl\u00fchen und Aush\u00e4rten sind die wichtigsten W\u00e4rmebehandlungen, die durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen, w\u00e4hrend bei LPBF-CuCrZr-Legierungen auf das L\u00f6sungsgl\u00fchen verzichtet werden kann.<\/p>

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L\u00f6sungsgl\u00fchen<\/strong>: Diese Behandlung erfolgt durch Erhitzen des Materials in einer sch\u00fctzenden, inerten Atmosph\u00e4re (in der Regel Ar) \u00fcber 900 \u00b0C f\u00fcr 30 Minuten oder mehrere Stunden. Das Material wird dann schnell in Wasser oder Luft abgek\u00fchlt, um die Kupfermatrix mit Cr und Zr zu \u00fcbers\u00e4ttigen. Bei LPBF-Teilen ist diese Behandlung bereits w\u00e4hrend des LPBF-Prozesses abgeschlossen, da das Schmelzbad schnell genug abk\u00fchlt, um als Abschreckung zu wirken und ein \u00fcbers\u00e4ttigtes Gef\u00fcge zu erzeugen. L\u00f6sungsgegl\u00fchte Teile sind sehr weich und die mechanischen Eigenschaften sind zu schwach, so dass sie nicht als separate W\u00e4rmebehandlung betrachtet werden k\u00f6nnen.<\/p>

Altersh\u00e4rtung<\/strong>: Diese Behandlung folgt in der Regel auf das L\u00f6sungsgl\u00fchen und wird bei niedrigeren Temperaturen \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum durchgef\u00fchrt (typischerweise von 400\u00b0C bis 600\u00b0C, bis zu 6 Stunden in einer inerten Umgebung (Ar, Vakuum, N2 und manchmal auch in H2-Atmosph\u00e4re). Diese Behandlung soll die kontrollierte Ausscheidung harter intermetallischer Phasen in \u00fcbers\u00e4ttigten Werkstoffen erm\u00f6glichen, um bin\u00e4re oder tern\u00e4re Verbindungen von Cu, Cr und Zr herzustellen.<\/p>

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In dieser Arbeit werden nur Aush\u00e4rtung<\/strong> wurde bei einer festen Temperatur von 550 \u00b0C untersucht, wobei drei verschiedene Dauern gepr\u00fcft wurden. Ziel war es, zu verstehen, wie sich die Dauer der W\u00e4rmebehandlung auf das Material auswirkt und ob die Aush\u00e4rtungsbehandlung geeignet ist, die mechanischen Anforderungen an CuCrZr bei der additiven Fertigung von Fusionsreaktorkomponenten zu erf\u00fcllen.<\/p>

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Die chemische Zusammensetzung, Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung (PSD) und Partikelform des Pulvers<\/strong> die in dieser Studie verwendet wurden, sind in der nachstehenden Bescheinigung aufgef\u00fchrt:<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In dieser Studie wurden die f\u00fcr die Untersuchung verwendeten Proben in nahezu netzf\u00f6rmige Geometrien gedruckt. Anschlie\u00dfend wird die Probe maschinell bearbeitet, um die raue Haut zu entfernen und die Probe in die richtige Geometrie f\u00fcr H\u00e4rtetests zu bringen.<\/p>

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Die Parameter werden optimiert, um die h\u00f6chste Probendichte mit einer Kombination aus Scan-Abstand (im Bereich von 0,06-0,1 mm), Lasergeschwindigkeit (von 350 bis 650 mm\/s) und Laserleistung von 370 W zu erreichen, wobei die Streifenbreite auf 5 mm und die Schichtdicke auf 0,03 mm f\u00fcr alle Schichten festgelegt wird. Bei jeder Schicht \u00e4ndert sich die Richtung der Streifen mit einer 67\u00b0-Drehung. Die vertikale Ausrichtung in diesem Projekt entspricht der Ausrichtung des Geb\u00e4udes. Diagramm in Abbildung 1<\/strong>:<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 1. Schematische Darstellung des additiven Fertigungsprozesses<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Es wurden vierzig W\u00fcrfel (10 mm x 10 mm x 10 mm) mit verschiedenen Kombinationen von Scanabst\u00e4nden und Scangeschwindigkeiten hergestellt. Ihre Dichte wurde dann mit der Archimedes-Methode gemessen.<\/p>

Die Bestandsproben wurden mit drei Verfahren behandelt Alterungsh\u00e4rtung<\/strong> Dauer bei 550 \u00b0C f\u00fcr 1 h, 3 h und 6 h in einer Stickstoffatmosph\u00e4re mit einer Aufheiz- und Abk\u00fchlgeschwindigkeit von 150 \u00b0C\/h (Abk\u00fchlung im Ofen und unter Schutzatmosph\u00e4re).<\/p>

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Das Histogramm in Abbildung 2<\/strong> zeigt die durchschnittliche relative Dichte aller Kombinationen der untersuchten Prozessparameter, gemessen mit der Archimedes-Methode. Die Referenzdichte ist gleich 8,8869 g\/cm3. Dieser Wert wird dann zur Berechnung der relativen Dichte der additiv hergestellten Probe verwendet.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 2. Die relative Dichte der Proben in Abh\u00e4ngigkeit von den Prozessparametern<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Die h\u00f6chste relative Dichte (99,15%) wurde mit den folgenden Prozessparametern erreicht: Laserleistung 370 W, Scan-Abstand (Schraffurabstand) 0,07 mm, Scan-Geschwindigkeit 450 mm\/s und Streifenbreite 5 mm. Bei einem Scan-Abstand von 0,07 mm gab es keine signifikante \u00c4nderung der relativen Dichte bei unterschiedlicher Scangeschwindigkeit.<\/p>

Ein Scan-Abstand von 0,06 mm ist nicht gut f\u00fcr die Dichte und f\u00fchrt zu Dichtewerten im Bereich von 98-98,5%. Dies kann auf einen W\u00e4rmestau zur\u00fcckzuf\u00fchren sein, der zu einer \u00dcberhitzung f\u00fchrt, die die endg\u00fcltige Dichte verringert.<\/p>

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Abbildung 3<\/strong> zeigt das Mikrogef\u00fcge der Proben nach 1h und 6h Alterungsbehandlung. Es zeigte sich, dass eine l\u00e4ngere Dauer der Aush\u00e4rtung die mikrostrukturellen Merkmale, die bei geringen Vergr\u00f6\u00dferungen beobachtet werden k\u00f6nnen, nicht ver\u00e4ndert, 1h Dauer im Vergleich zu 6h Dauer.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 3. Mikrogef\u00fcge von 1h- und 6h-Proben<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 4<\/strong> zeigt mikroskopische REM-Aufnahmen der 6h-Probe. Es sind viele kreisf\u00f6rmige Partikel in s\u00e4ulenf\u00f6rmigen K\u00f6rnern zu sehen (insbesondere in Abbildung 5c), bei denen es sich um nanoharte Partikel handeln k\u00f6nnte. Weitere EDS-Untersuchungen dieser Ausscheidungen in Nanogr\u00f6\u00dfe zeigten, dass es sich um kleine Cr- oder Zr-Ausscheidungen von wenigen bis 50 Nanometern handelt, die gleichm\u00e4\u00dfig im Material verteilt sind.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 4 REM-Sekund\u00e4relektronenbilder bei verschiedenen Vergr\u00f6\u00dferungen nach 6-st\u00fcndiger Alterung bei 550 \u00b0C<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In den untersuchten Proben wurden auch Defekte festgestellt. Abbildung 5<\/strong> zeigt einige Defekte, die f\u00fcr AM-Teile typisch sind, wie z. B. die fehlende Verschmelzung (LoF) und Porosit\u00e4t, die haupts\u00e4chlich durch Gaseinschl\u00fcsse entsteht.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 5 Festgestellte M\u00e4ngel im Querschnitt der LPBF-Bauprobe<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 6<\/strong> sind die Werte der Vickers-Mikroh\u00e4rte f\u00fcr ungebaute und w\u00e4rmebehandelte Proben. Es ist leicht zu erkennen, dass die H\u00e4rte im eingebauten Zustand niedriger ist als bei den gealterten Proben: 1 Stunde Alterung bei 550 \u00b0C verbessert die H\u00e4rte erheblich (165 HV, das Doppelte des Wertes von 84 HV bei den eingebauten Proben). Nach 3 Stunden Alterung begann die H\u00e4rte der Probe zu sinken (durchschnittlich 144 HV), und nach 6 Stunden Behandlung wurde das Material noch weicher, aber auch in diesem Fall gab es eine Verbesserung gegen\u00fcber dem eingebauten Zustand. Dies bedeutet, dass die Dauer von 6 Stunden zu lang ist und zu einer Vergr\u00f6berung der Ausscheidungen f\u00fchrt. Es ist zu erkennen, dass bereits 1 Stunde die H\u00e4rte des Materials im Vergleich zum eingebauten Zustand erh\u00f6ht. Das bedeutet, dass das Material nach 1 Stunde bereits \u00fcberaltert ist.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Abbildung 6: Vickers-Mikroh\u00e4rtewerte f\u00fcr Proben im Originalzustand und gealterte Proben<\/strong><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen, dass die Alterungsbehandlung aus mechanischer Sicht vielversprechend f\u00fcr die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von LPBF CuCrZr-Legierungen ist. Es m\u00fcssen jedoch noch einige Untersuchungen durchgef\u00fchrt werden, um die richtige Kombination aus Pulvereigenschaften, LPBF-Parametern und Alterungsprozess zu finden.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

CuCrZr (C18150) alloy is a precipitation-hardening alloy known for its high mechanical, thermal, and electrical properties. The alloy is widely used in heat exchange devices and in the field of nuclear fusion. \u00a0 CuCrZr alloy is a very attractive alloy that can replace pure copper in many applications, with Cr in the range of 0.5 […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":2035,"comment_status":"closed","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"class_list":["post-2033","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-uncategorized"],"blocksy_meta":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2033","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2033"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2033\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2047,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2033\/revisions\/2047"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2035"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2033"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2033"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/am-printing.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2033"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}