Einflussnahme auf die Gefügemorphologie additiv gefertigter Schichtsysteme

Die Bestrebungen zur Ressourceneffizienz bei kostenintensiven und schwer zerspanbaren Werkstoffen erfordert den komplementären Einsatz additiver und abtragender Fertigungsschritte. Die Technologien müssen jedoch gezielt aufeinander abgestimmt werden. Die heterogene Mikrostruktur additiv gefertigter Bauteile, die zu instabilen Schnittbedingungen führt, soll durch Legierungsmodifikation positiv beeinflusst werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Werkstoffmodifikation an Hochleistungslegierungen vorzunehmen und deren Einfluss auf den additiven Fertigungsprozess und die nachfolgende abtragende Bearbeitung zur Erzielung der Endkontur zu untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde an den Werkstoffen CoCr26Ni9Mo5W und FeNi36 eine Legierungsmodifikation mittels PTA-Verfahren mit den Elementen Ti, Zr und Hf durchgeführt. Es wurde untersucht, welche Auswirkungen die variierenden Massenanteile und Kombinationen der Modifikatoren auf die Gefügemorphologie, die Härte, die resultierende Zerspankraft sowie die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche der beiden Legierungen haben. Nach Auswertung dieser Ergebnisse wurden die vielversprechendsten Legierungsmodifikationen entweder durch PVD-Beschichtung des Drahtes oder durch Fülldrahtmodifikation auf den MSG-Prozess übertragen und ebenfalls hinsichtlich der Kriterien bewertet. Zusätzlich wurde untersucht, ob die Legierungseigenschaften durch die Modifikationselemente beeinflusst werden. Aufgrund der Verschleißbeständigkeit von CoCr26Ni9Mo5W wird diese auf Dreikörperabrasiv- und Hochtemperaturstrahlverschleiß untersucht. FeNi36 weist über einen weiten Temperaturbereich einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und wird daher mittels Dilatometrie geprüft. Zusätzlich wird der Zweikörperabrasivverschleiß von FeNi36 getestet. Bei der Legierung CoCr26Ni9Mo5W führten die beiden Modifikationen mit 1 Gew.-% Zr und 1 Gew.-% Hf sowohl beim PTA- als auch beim MSG-Verfahren zu einem homogenen Gefüge, was sich in einer signifikanten Reduzierung der Zerspankräfte auswirkte. Darüber hinaus zeigte sich im Vergleich zur Ausgangslegierung ein geringerer Materialabtrag beim Dreikörperabrasivverschleiß. Bei der Prüfung der Beständigkeit gegen Hochtemperaturstrahlverschleiß wiesen sie einen geringfügig höheren, jedoch vernachlässigbaren Materialabtrag auf. Für die Legierung FeNi36 zeigten im PTA-Prozess keine Modifikationen einen positiven Einfluss auf die Mikrostruktur oder die resultierende Zerspankraft. Mit Hilfe einer Entscheidungsmatrix wurde die Modifikation mit 0,33 Gew.-\% Zr für die Übertragung auf den MSG-Prozess ausgewählt. Hierbei führte die Legierungsmodifikation zu einer deutlichen Veränderung der Gefügemorphologie sowie zu einer Reduktion der Zerspankraft. Hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 200 bis 600 °C zeigten die Legierungsmodifikationen kaum Auswirkungen auf dessen Verlauf. Im Hinblick auf die Beständigkeit gegen Zweikörperabrasivverschleiß führte die Modifikation mit 0,33 Gew.-\% Zr sowohl beim PTA- als auch beim MSG-Verfahren zu einem geringeren Materialabtrag. Es konnte gezeigt werden, dass eine Legierungsmodifikation zu einer homogeneren Mikrostruktur der additiv hergestellten Schichtsysteme und zu stabileren Zerspanungsbedingungen führt, wodurch die generativen und abtragenden Fertigungsschritte besser aufeinander abgestimmt werden können.