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Sind Heißrisse bei Nickel wirklich unvermeidbar?

Reines Nickel und Nickellegierungen mit einem geringen Anteil an Zusätzen gelten allgemein als gut schweißgeeignet. Die Neigung zu Heißrissen steigt erst mit einem zunehmenden Gehalt an eingesetzten Elementen. Insbesondere die Zugabe von Legierungselementen, die eine Festigung des Gefüges über die Bildung von Ausscheidungen fördern, wie Aluminium und Titan, sorgt für ein vermehrtes Auftreten von Rissen im Übergang von der Schweißnaht zur Wärmeeinflusszone. Um die hervorragenden mechanischen Kennwerte für den Einsatz in Turbinenbau zu erreichen, ist jedoch die Zugabe dieser Elemente zur Ausscheidungshärtung unverzichtbar. So kommt es, dass viele der modernen Nickelbasis-Superlegierungen, wie zum Beispiel Inconel 939 oder Alloy 247, als nicht schweißbar gelten. Obwohl das Problem seit Jahren bekannt ist und weltweit daran geforscht wird, sind die Kenntnisse zum Schweißen dieser besonders heißrissgefährdeten Nickelwerkstoffe selbst in Fachkreisen gering. Erschwerend kommt hinzu, dass sich additiv gefertigte Materialien beim Schweißen oft anders verhalten als die bekannten Guss- oder Schmiedeteile. Der Grund dafür liegt in der speziellen Mikrostruktur, der Spannungssituation sowie Defekten, die je nach Verfahren auftreten.

Hürden bei der Integration in bestehende Systeme

Während oberflächliche Beschädigungen an Schaufeln direkt durch Additive Fertigungsverfahren wie L-DED instandgesetzt werden können, ist der Austausch ganzer Bauteile, wie zum Beispiel Brennern oder Injektoren, eine Herausforderung für die Schweißtechnik. Dies resultiert zum einen daher, dass das wärmebehandelte Gefüge empfindlich auf Veränderungen durch die thermischen Auswirkungen des Schweißens reagiert. Zum anderen zählen Nickel-Superlegierungen zu den heißrissgefährdeten Werkstoffen, was das schweißtechnische Fügen bei vielen Legierungen bereits bei konventioneller Herstellung bisher nahezu unmöglich macht. Dieser Umstand wird durch den AM-Prozess zusätzlich erschwert, da sich die Eigenschaften der AM-Bauteile meist deutlich von bisher üblichen Guss- oder Schmiedeteilen unterscheiden. Die Unterschiede umfassen sowohl den Gefügezustand, innere Spannungen als auch Defekte in Form von Poren oder Anbindungsfehlern, die sich bei der additiven Fertigung selten vollständig vermeiden lassen. Nicht nur im Hinblick auf Instandhaltungsmaßnahmen wären die Entwicklung einer Strategie und das Identifizieren eines geeigneten Prozessfensters für fehlerfreie Schweißverbindungen hier sinnvoll. Auch bei der Neuteilproduktion würde ein für AM-Bauteile geeigneter Schweißprozess Vorteile mit sich bringen. Durch das Verschweißen mehrerer additiv hergestellter Segmente zu einem Bauteil, könnte auch die Problematik des begrenzten Bauraums bei vielen AM-Anlagen überwunden werden.

Abhilfe schafft das Elektronenstrahlschweißen

Ein Verfahren, welches aufgrund seiner besonderen Eigenschaften auch zum Fügen von additiv gefertigten Nickel-Superlegierungen großes Potential zeigt, ist das Elektronenstrahlschweißen. Der Elektronenstrahl zeichnet sich durch eine Reihe verschiedener Vorteile gegenüber anderen Schweißverfahren aus. So lassen sich durch die Arbeit im Vakuum Oxidationen ganz ohne Einsatz eines zusätzlichen Schutzgases vermeiden und genau kontrollierte Prozessbedingungen schaffen. Die gezielte Wärmeeinbringung durch den geringen Strahldurchmesser sorgt zudem für eine geringe thermische Belastung des Bauteils, was sich vorteilhaft auf die Bildung von Heißrissen auswirkt. Hinzu kommen die exakte Einstell- und Positionierbarkeit des Elektronenstrahls, die für eine besonders hohe Reproduzierbarkeit des Schweißergebnisses auch bei komplexen Legierungen sorgen. Auch aus wirtschaftlicher Sicht kann das Verfahren überzeugen, da der energetische Wirkungsgrad mit etwa 90 Prozent deutlich höher als bei üblicher Laser- oder Lichtbogentechnik liegt.

Mit Analysen und Optimierungen zum Schweißerfolg

In verschiedenen Forschungsprojekten des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) mit Industriepartnern wurden unterschiedliche Strategien zum Verständnis und der Reduzierung von Defekten beim Schweißen von additiv-gefertigten Nickel-Superlegierungen untersucht.

Dazu wurden Schweißversuche mit dem Elektronenstrahl im Vakuum an additiv gefertigten Blechen aus Inconel 718 und Inconel 939 durchgeführt. Entscheidend für den Erfolg war hier allem voran die genaue Kenntnis von Zusammensetzung, Eigenschaften und Mikrostruktur des AM-Materials.

Vor dem Schweißprozess vorhandene Poren, Anrisse oder innere Spannungen können häufig durch geeignete Behandlungsschritte, wie Glühen oder heiß-isostatisches Pressen, ausgeheilt werden oder sogar direkt über die Anpassung des Schweißprozesses Berücksichtigung finden. Bleiben sie jedoch unerkannt, kann es durch den Schweißvorgang zu einem Anwachsen der Fehlstellen über eine kritische Größe und somit zu Ausschuss des Bauteils kommen.

Als nützliche Werkzeuge zur Anpassung des Schweißprozesses auf additive Materialien, erwiesen sich die statistische Versuchsplanung sowie die Schweißstruktursimulation. Während die Statistik vor allem zum besseren Verständnis der beobachteten Effekte beiträgt, erlaubt die Simulation die Identifikation geeigneter Stellschrauben zum Festlegen der Optimierungsrichtung.

Der Vorteil der in der Kombination beider Methoden liegt in der sehr guten Abbildbarkeit des Schweißprozesses, welche bereits mit einem geringen Versuchsaufwand erreicht werden kann. Zur Demonstration der Möglichkeiten des angepassten Schweißprozesses, wurden die gesammelten Daten und gewonnen Erkenntnisse in ein Modell zur Vorhersage optimaler Parameter umgesetzt. Damit war es möglich, je nach gewünschter Zielgröße, Schweißnähte im Hinblick auf den Anteil an Poren oder Rissen zu optimieren und so eine deutliche Steigerung der Nahtqualität zu erreichen.

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