Laserstrahlschmelzen oder Laser-Pulverbettfusion (L-PBF) ist eine additive Fertigungstechnologie, die Laserstrahlenergie nutzt, um Schichten aus Materialpulvern zu schmelzen, um ein vollständig dichtes Teil zu erzeugen. Es verwendet einen computergestützten Ansatz, um ein 3D-Modell zu erstellen, das später in einzelne Schichten für den Druck aufgeteilt wird. Der Druckprozess (Teileproduktion) beinhaltet das Hinzufügen von Materialpulvern in einem Schicht-für-Schicht-Prozess, was im Gegensatz zum subtraktiven konventionellen Metallproduktionsprozess steht. Als Technologie umfasst die Pulverbettfusion mehrere Drucktechniken, nämlich Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Selektives Wärmesintern (SHS), Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Selektives Laserschmelzen (SLM) und Selektives Lasersintern (SLS).
Obwohl der L-PBF-Produktionsprozess einige spannende technische Vorteile bietet, beweisen Ti6Al4V-Teile, die damit hergestellt werden, das Gegenteil. Es wurde in mehreren Studien berichtet und während dieser Studie festgestellt, dass L-PBF-hergestelltes Ti6Al4V (als Ti6Al4V im Bauzustand) eine höhere Festigkeit, aber einen sehr geringen Dehnungsprozentsatz aufweist, verglichen mit konventionell hergestelltem Ti6Al4V, als Ergebnis eines höheren thermischen Gradienten, der im L-PBF-Prozess existiert und zur Bildung einer nadeligen Martensit-Mikrostruktur führt. Diese bestehende Schwachstelle ist die Achillesferse von L-PBF-hergestelltem Ti6Al4V und macht Ti6Al4V-Teile, die durch L-PBF hergestellt werden, für Industrien unzureichend, in denen konventionell hergestelltes Ti6Al4V verwendet wird. Da Industrien wie Biomedizin, Luftfahrt, Öl und Gas, Automobil, Marines und Offshore-Bereiche auf die Eigenschaften von Ti6Al4V angewiesen sind.
Studien haben gezeigt, dass es möglich ist, die beobachtete nadelige Martensit-Mikrostruktur in Ti6Al4V im Bauzustand durch Wärmebehandlung zu verändern und dadurch auch seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Es wurde jedoch noch keine bi-lamellare Mikrostruktur aus L-PBF-hergestelltem Ti6Al4V erzeugt.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die mechanischen Eigenschaften von L-PBF-hergestelltem Ti6Al4V durch Wärmebehandlung zu verbessern, um die nadelige Martensit-Mikrostruktur, die in L-PBF gefunden wurde, in eine bi-lamellare Mikrostruktur umzuwandeln und vergleichende Studien der beobachteten mechanischen Eigenschaften von im Bauzustand, lamellar und bi-lamellar Mikrostrukturen durchzuführen. Zwei Wärmebehandlungsansätze wurden in dieser Arbeit verwendet: eine einstufige Wärmebehandlung und eine zweistufige Wärmebehandlung.
Der einstufige Wärmebehandlungsansatz bestand darin, L-PBF-hergestellte Ti6Al4V-Teile über den β-Transus auf eine Temperatur von 1030°C zu erwärmen und dann langsam im Ofen abzukühlen, während der zweistufige Wärmebehandlungsansatz aus der ersten Stufe bestand, in der L-PBF-hergestellte Ti6Al4V-Proben über den β-Transus bei 1030°C lösungsgeglüht und dann langsam im Ofen abgekühlt wurden (wie bei der einstufigen Wärmebehandlung) und einer zweiten Stufe der Wärmebehandlung, bestehend aus dem Altern von L-PBF-hergestellten Ti6Al4V-Teilen bei verschiedenen Alterungstemperaturen, nämlich 800, 880 und 960°C, gefolgt von Luftkühlung.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die ursprünglich in Teilen im Bauzustand beobachtete nadelige Martensitphase nach dem einstufigen Wärmebehandlungsansatz in eine lamellare Mikrostruktur und nach dem zweistufigen Wärmebehandlungsansatz in eine bi-lamellare Mikrostruktur umgewandelt wurde. Mechanische Tests aller Proben zeigten, dass Proben im Bauzustand eine höhere Zugfestigkeit, geringere Dehnung und keine Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung aufwiesen, während wärmebehandelte Proben eine sehr gute Kombination aus Festigkeit, verbesserter Dehnung und guter Rissbeständigkeit im Vergleich zu Proben im Bauzustand hatten.
Basierend auf den beobachteten Ergebnissen wurde gefolgert, dass es wissenschaftliche Möglichkeiten gibt, die in Ti6Al4V im Bauzustand erhaltene nadelige Martensit-Mikrostruktur in eine lamellare und bi-lamellare Mikrostruktur umzuwandeln und die mechanischen Eigenschaften von L-PBF-hergestelltem Ti6Al4V zu verbessern, und es wurde festgestellt, dass die bi-lamellare Mikrostruktur die beste Kombination aus mechanischer Festigkeit im Vergleich zu Proben im Bauzustand und lamellaren Proben bot.