Cracking Mechanisms of High-Alloyed Tool Steels processed with Laser Powder Bed Fusion

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Hochlegierte Werkzeugstähle finden in unterschiedlichen Formgebungsverfahren, wie bspw. der Warmverformung, Schneidanwendungen oder dem Prägen, Anwendung. Aufgrund ihres hohen Legierungselementgehalts repräsentieren sie Materialien mit überaus hoher Härte bzw. Verschleißbeständigkeit, wodurch sie extremen Belastungen Stand halten. Sie sind jedoch wegen ihres hohen Kohlenstoffäquivalents anfällig auf Rissbildung während Mikroschweißprozessen, also während des selektiven Laserschmelzens (LPBF). Im Vergleich zu konventionellen Herstellrouten wie bspw. Gießen, Walzen, Schmieden oder spanende Formgebung, bietet das additive Fertigen wegen der beinahe uneingeschränkten Gestaltungsfreiheit wirtschaftliche Vorteile. Diese Doktorarbeit strebt danach, die Prozessierbarkeit dieser Werkzeugstähle mittels LPBF ohne Bauplattformheizung zu beleuchten. Das Hauptziel ist, die auftretenden Risse mit der Gefügeentwicklung zu korrelieren. Daher wurden zwei Legierungen, erstens ein kohlenstoffreicher Kaltarbeitsstahl und zweitens eine kohlenstofffreie FeCoMo-Legierung, die aufgrund des nicht vorhandenen Kohlenstoffs ein vielversprechender Kandidat für LPBF ist, gefertigt und anschließend in Bezug auf den vorherrschenden Rissmechanimus und potenzielle Rissursachen untersucht. Wegen der extrem feinen Morphologie (Gefüge und Rissfläche) wurden neben konventionellen Mikroskopietechniken (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM)) auch hochauflösende Charakterisierungsmethoden durchgeführt. Die Spannungs- und Phasenentwicklung, die sich durch den komplexen thermischen Zyklus während des LPBF ausbildet, wurde mittels hochenergetischer Röntgenbeugung (HEXRD) durch Synchrotronstrahlung analysiert. Neben hochauflösender energiedispersiver Röntenspektroskopie wurden die Atomsondentomographie (APT) sowie Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) verwendet, um die chemische Analyse direkt unter der Rissfläche und mikrostrukturelle Bestandteile eindeutig nachzuweisen, die zur Rissbildung beitragen. Diese Doktorarbeit zielte auch darauf ab, dass Materialeigenschaften, die durch die hohen Abkühlraten, d.h. eine starke Übersättigung und eine extrem feine Mikrostruktur, entstehen, beleuchtet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass neben Standardcharakterisierungsmethoden auch hochauflösende Techniken (HEXRD, APT und TEM) notwendig sind, um mikrostrukturelle Komponenten zu analysieren, die zur Rissbildung beitragen. Zusätzlich sind Adaptionen der verwendeten REM-Parameter notwendig (Minimierung der Elektronenstrahl-Wechselwirkungsbirnengröße), um das Gefüge und die Rissflächenmorphologie korrekt analysieren zu können. Synchrotrondehnungsmessungen lieferten die Erkenntnis, dass die Rissbildung über ein dendritisches Karbidnetzwerk, das während der eutektischen Erstarrung entstand und mittels APT und TEM eindeutig nachgewiesen wurde, durch Spannungsakkumulationen eingeleitet wird. Eine potenzielle Legierungssystemanpassung, um die Bildung dieses eutektischen Erstarrungsnetzwerks zu verhindern, wurde basierend auf thermodynamischen Berechnungen vorgeschlagen. Für die kohlenstofffreie FeCoMo-Legierung wurden vier potenzielle Rissursachen für das spröde Versagen, und zwar die Bildung einer spröden Ordnungsphase, epitaktisch orientierte, grobe Körner, Ausscheidungsbildung während des LPBF und das Vorhandensein nichtmetallischer Einschlüsse, untersucht. Da die ersten drei entweder ausgeschlossen wurden oder nur teilweise zur Rissbildung beitragen, wurde letztgenannte als wahrscheinlichste Versagensursache festgelegt.

Details

Titel in ÜbersetzungRissmechanismen in hochlegierten selektiv lasergeschmolzenen Werkzeugstählen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung8 Apr. 2022
StatusVeröffentlicht - 2021