Correlation of the High Power SLM Process with Resulting Material Properties for IN718

Abstract

For SLM to become suitable for series production, its productivity and, thereby, process speed have to be increased. One possibility to achieve this is by increasing laser power and adapting the process parameters (beam diameter, laser power, scanning velocity, and more) accordingly (High Power SLM). This adaption of the process parameters, however, leads to a significant change in the cooling and solidification conditions in the melt pool: The microstructure and the resulting mechanical properties are significantly changed. For this reason, it is necessary to investigate the influence of the HP-SLM process on the resulting material properties. The results show the investigation of a process window with up to 2kW laser power for the nickel-based alloy IN718, which is a material frequently used for high temperature applications in the turbomachinery branch. Here, the extent to which different process parameters influence the achievable productivity is analysed. Afterwards, the microstructure (grain size and orientation) and the mechanical properties (tensile tests) are examined for selected process windows. In the end, a correlation between process parameters, microstructure, and mechanical properties is conducted.

Zusammenfassung

Der Einsatz der SLM-Technologie in der Serienfertigung bedingt eine Steigerung der Produktivität und damit einhergehend eine Beschleunigung der Prozessgeschwindigkeit. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz gesteigerter Laserleistungen und die Anpassung der Verfahrensparameter (Laserstrahldurchmesser, Laserleistung, Scangeschwindigkeit und mehr). Dadurch wird eine Veränderung der Erstarrungsbedingungen im Schmelzbad erreicht, was sich wiederum auf die entstehende Mikrostruktur und das Gefüge auswirkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Einfluss der HP-SLM Prozessführung auf die resultierenden Materialeigenschaften grundlegend zu untersuchen. Die vorgestellten Ergebnisse beinhalten die Entwicklung einer SLM-Prozessführung mit Laserleistungen von bis zu P_L≤2kW für den im Turbomaschinebau sehr häufig verwendeten Werkstoff IN718. Außerdem wird der Einfluss der angepassten Verfahrensparameter auf die Produktivität (Theoretische Aufbaurate) untersucht. Auf der Grundlage der Untersuchungen der Mikrostruktur und des Gefüges (Korngröße und -orientierung) wird eine Korrelation zwischen HP-SLM Prozessführung, Mikrostruktur und Gefüge und mechanischen Kennwerten erarbeitet.