Selektives Laserschmelzen von konventionellen und intermetallischen Titanlegierungen Eigenschaften und Optimierung

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1 Selektives Laserschmelzen von konventionellen und intermetallischen Titanlegierungen Eigenschaften und Optimierung Dr. G. Kasperovich 1, H. Gherekhloo 1, Dr. J. Gussone 1, Dr. J. Hausmann 1, Dr. Y.-Ch. Hagedorn 2 Institüt für Werkstoff-Forschung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 1) ILT Fraunhofer-Institut, Aachen 2)

2 Teil I: Konventionelle TiAl6V4 - Legierung Galina Kasperovich Metallische Werkstoffe und hybride Werkstoffsysteme Institut für Werkstoff-Forschung, DLR, Köln

3 Additive manufacturing Problems and solutions: Inner defects: pores, unmolten particles or internal cracks and other types of localized irregularities Selective Laser Melting (SLM) Ti-6wt%Al-4wt%V (TiAl6V4) (max. 300 C) 1 optimization of the initial process parameters for minimization of inherent defects 2 Internal stress resulting from a high temperature gradient and rapid solidification during processing optimization of the further thermomechanical treatment to minimize internal stresses and adjust the microstructure

4 Cylindrical specimen Thermomechanical treatment Mechanical tests as build machined SLM SLM, heat SLM, HIP Optimized parameter P opt, v opt, h opt, d opt % min SLM for TiAl6V4 from powder to turbine blade: optimization chain Blade 2D 3D 2D Turbine Porosity analysis Test samples P i, v j, h k, d l TiAl6V4 powder

5 TiAl6V4 powder and optimization of SLM process Cumulative fraction, % TiAl6V4 powder δ powder layer previous layers Scanlaser processed layer heated build platform Diameter of particles, µm Test samples P i, v j, h k, δ l 12 x 10 x 10 mm 3 LaserCusing, Systemhaus Technik, DLR, Köln P i - laser power: v j - scanning velocity: h k - spot size: δ l - layer thickness: 109, 200 W 850, 1000, 1250, 1500 mm/s small (S), medium (M) and large (L) depending on the machine settings specific distance (from 150 up to 250 µm) 40 µm = const

6 Sample preparation: 2D: average of 3 longitudinal sections (12 x 10 mm 2 ) 2D: AnalySIS Building direction 3D: 3D: average of 2 round specimens (ø=3 mm, h=10 mm)

7 2D (depend on the method of surface treatment) and 3D porosity: Test sample with the parameter set: 200 W, 850 mm/s, small spot size: surface 2D porosity: % for total analyzed area 12 x 10 mm 2 surface 2D porosity: % for total analyzed area 12 x 10 mm 2 etching agent: hydrofluoric acid volume 3D porosity: % for the area 1000x1000x1000 µm 3 3D resolution: 1.2 µm/voxel NOTE: only pores > than 4 µm were considered

8 2D: 3D: etched surfaces surface areas: mm 2 volumetric areas: mm 3 Ti64 phase is transparent

9 Process optimization: P = 200 W Cylindrical test specimen: Spot sizes: S small M medium L large 2D, etched 3D 2D, not etched Optimized parameter: P opt, v opt, h opt, d opt % = min

10 Test specimen and thermomechanical treatment: Note: State of investigation: as built surface SLM, not optimized machined surface SLM, optimized all SLM test specimens were fabricated with optimized parameters SLM, HIP SLM without treatment; SLM, heat - 1) annealed: T = 700 C, 1 h, 2) cooled with vg = 10 K/min = const; SLM, HIP - 1) hot-isostatically pressed (HIP): T = 910 C, 109 MP, 2 h, argon, 2) annealed: T = 700 C, 1 h, 3) cooled with vg = 10 K/min = const; + REFERENCE - wrought Ti % % %

11 Effect of thermomechanical treatment on the microstructure: phase distribution: α = 91.4 %, β = 8.6 % phase distribution: only α, no β phase distribution: α + β traces (β: difficult to define) phase distribution: α = 93.5 %, β = 6.5 %

12 Hardness properties:

13 Tensile properties: Stress, MPa 12.3 % 11.1 % 19.2 % Reference 19.4 % Strain, %

14 Fatigue properties: HCF: Cycles number σ max = 600 MPa R=-1 unmolten particles as crack initiation Reference SLM SLM, heat SLM, HIP

15 Turbine blade (after HIP): Porosity: Final geometry tolerances: < 0.1 mm Chemical analysis: % O 2 = ± 0.01 % < 0.20 % (ASTM F1472, ISO : < 0.20 %)

16 Conclusions: + Problems: Selective Laser Melting (SLM) is a very powerful tool to generate geometrically complex structures of high performance materials. Careful optimization procedure of the process parameters is necessary to obtain a high quality material: optimization of the initial parameters for minimization of inherent defects optimization of the further thermomechanical treatment to minimize internal stresses and adjust the microstructure Results: Tensile strength of SLM processed materials is higher compared to wrought Ti64. However, ductility and fatigue strength are inferior.! Heat treatment at intermediate temperatures below the β transus does not provide a significant improvement of the ductility and fatigue strength. Pores have a drastic influence on the fatigue behavior of SLM- processed Ti64 in the high cycle fatigue regime. Hot isostatic pressing (HIP) removes residual porosity and fuses unmolten particles and cold joints. The microstructure and fatigue resistance of the HIP material is much closer to the wrought Ti64 in comparison to the non-hiped alloy. Production of turbine blades with high quality material and high precision was enabled due to optimized process parameters and further HIP treatment.

17 Teil II: Intermetallische TiAl - Legierung Human Gherekhloo Metallische Werkstoffe und hybride Werkstoffsysteme Institut für Werkstoff-Forschung, DLR, Köln

18 Intermetallische Legierungen: TiAl Legierung: Ti 45Al 6Nb 1Mo 0.1B (at.%) Geometrie der Proben: 10 x 10 x 5 mm (L x B x H) Substratmaterial: artgleich Versuchsanlage: Fraunhofer ILT Bauraumheizung (T spröd/duktil < T Bau < < T eut )

19 Methoden zur Charakterisierung Poren- und Rissanalyse Lichtmikroskop Dichte: 96% bis > 99% Bei einigen Proben wurden Risse gefunden Nicht eindeutig mit den Fertigungsparametern in Verbindung zu bringen Mikrostruktur REM Sehr unterschiedliche Mikrostrukturen in Abhängigkeit von Fertigungsparametern Chemische Zusammensetzung EDX Deutliche Veränderung der chemischen Zusammensetzung

20 Mikrostruktur (Fertigungsparameter) Hoher Energieeintrag: α 2 Nadeln und etwas γ-tial in großen B2-Körnern Geringer Energieeintrag: sehr feine B2- und γ-körner um sehr feine lamellare α 2 /γ-kolonien Energieeintrag Vorschubgeschwindigkeit Spurabstand Energieeintrag

21 Mikrostruktur (Phasenverteilung) Beispiel: Probe mit hohem Energieeintrag, hohe T Bau Veränderung der Phasenanteile Dauer intrinsische WB Bauzeit Probe Messpunkte B2-dominiert γ-zunahme Substrat Substrat

22 Mikrostruktur (Phasenverteilung) Beispiel: Probe mit geringem Energieeintrag, geringer T Bau Geringe Veränderung der Phasenanteile Mit zunehmender Bauzeit: Kolonien, globulare Anteile Dauer intrinsische WB Bauzeit Probe Messpunkte Substrat Substrat

23 Chemische Zusammensetzung Veränderung der chemischen Zusammensetzung Tendenz: Abnahme des Al-Gehaltes mit Energieeintrag

24 Mikrostruktur (HIP) Beispiel: geringe Bauraumtemperatur geringer Energieeintrag HIP (1200 C) - Sehr feine Kolonien - Extrem feine α 2 /γ Lamellen - Submikrometergröße B2 und γ Körner an Koloniegrenzen - Sehr feinkörniges, globulares Gefüge

25 Fazit SLM mit TiAl-Pulver wurde bei hoher Bauraumtemperatur durchgeführt Veränderung der Phasenanteile und Mikrostruktur aufgrund von intrinsischer WB Veränderung d. chem. Zusammensetzung bei hohem Energieeintrag HIP /WB führt zu einem sehr feinkörnigen, globularen Gefüge Nur mittels SLM erreichbar Besondere mechanische Eigenschaften zu erwarten

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Metallische Werkstoffe und hybride Werkstoffsysteme Institut für Werkstoff-Forschung, DLR, Köln