Einflussnahme auf die Gefügemorphologie additiv gefertigter Schichtsysteme

Eissel, Antonia

doi:10.21268/20251228-0

Dissertation Fri Jan 30 2026 CC BY-NC-ND 4.0

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Einflussnahme auf die Gefügemorphologie additiv gefertigter Schichtsysteme

Eissel, Antonia

German
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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.

Efforts to increase resource efficiency in the processing of cost-intensive and difficult-to-machine materials require the complementary use of additive and subtractive manufacturing steps. However, strict coordination of these technologies is required. Specifically, alloy modification aims to improve the heterogeneous microstructure of additively manufactured components, which typically leads to unstable cutting conditions.

The objective of this study is to modify high-performance alloys and investigate the effects on both the additive manufacturing process and the subsequent subtractive machining required to achieve the final contour. To this end, alloy modifications were performed on CoCr26Ni9Mo5W and FeNi36 using the PTA process with Ti, Zr, and Hf. The study investigated the effects of varying mass fractions and elemental combinations on microstructural morphology, hardness, resulting cutting forces, and surface roughness. Based on these results, the most promising modifications were transferred to the GMAW process—either via PVD wire coating or flux-cored wire modification—and evaluated using the same criteria. Additionally, the influence of the modifying elements on intrinsic alloy properties was examined.

Given its high wear resistance, CoCr26Ni9Mo5W was tested for three-body abrasive wear and high-temperature particle erosion. FeNi36, known for its low coefficient of thermal expansion over a wide temperature range, was analyzed using dilatometry. Furthermore, the two-body abrasive wear behavior of FeNi36 was investigated.

For CoCr26Ni9Mo5W, modifications containing 1 wt.% Zr and 1 wt.% Hf produced a homogeneous microstructure in both PTA and GMAW processes, leading to significantly reduced cutting forces. Moreover, compared to the base alloy, lower material loss was observed during three-body abrasive wear testing. Regarding resistance to high-temperature particle erosion, material removal was slightly higher but negligible.

In the case of FeNi36, none of the PTA modifications showed a positive influence on microstructure or cutting forces. However, using a decision matrix, the modification containing 0.33 wt.% Zr was selected for the GMAW process. Here, the modification resulted in a pronounced change in microstructural morphology and a reduction in cutting forces. The alloy modifications showed only minor effects on the coefficient of thermal expansion between 200 and 600 °C. Regarding two-body abrasive wear, the 0.33 wt.% Zr modification resulted in lower material removal in both PTA and GMAW processes.

The study demonstrates that alloy modification leads to a more homogeneous microstructure in additively manufactured layers and more stable machining conditions, thereby facilitating better coordination between additive and subtractive manufacturing steps.