Overview and Classification of Defects occurring during Laser Beam Melting of Nickel-base Alloys

Abstract

Laser Beam Melting (LBM) offers an opportunity to manufacture complex near net shape parts in a short time. The reduction of post-processing is a major benefit for materials such as nickel-base alloys, which are difficult to machine. Consequently, the use of LBM to manufacture parts from nickel-base alloys comes into consideration for a number of applications in which a complex design is combined with high requirements with regard to thermal and static loads. Prominent examples include parts for liquid rocket engines.

A major drawback for the use of LBM in serial production is the lack of a complete defect catalogue for nickel-base alloys. The scope of a collaboration between the Technical University of Munich (TUM) and the space launcher company ArianeGroup is to establish such a defect catalogue. For this purpose, it will be necessary to investigate the laser-powder interaction during the LBM process for nickel-base alloys.

This paper describes experiments with Inconel® 718 (IN718) to investigate the formation of specific defects, which are described in the literature, and to study both the underlying causes and the impact of these defects. Defects and process instabilities were determined by means of process monitoring using Optical Tomography (OT). Results from metallographic cuts were employed to evaluate the detectability of different defects with OT. Finally, a defect catalogue was established.

Abstract

Laser-Strahlschmelzen (LBM) ermöglicht die Fertigung komplexer endkonturnaher Bauteile in kurzer Zeit. Die Reduzierung der Nachbearbeitung ist bei Materialien wie Nickelbasislegierungen, die schwer zerspanbar sind, eingroßer Vorteil. Daher wird der Einsatz von LBM für eine Reihe von Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen komplexes Design auf hohe Anforderungen in Bezug auf thermische und statische Lasten stößt. Gängige Beispiele hierfür sind Bauteile für Flüssigraketentriebwerke.

Eins der größten Hindernisse für die Nutzung von LBM in der Serienproduktion ist das Fehlen eines kompletten Defektkatalogs für Nickelbasislegierungen. Ziel einer Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität München (TUM) und dem Trägerraketenhersteller ArianeGroup ist es, einen solchen Defektkatalog zu erstellen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Laser-Pulver- Interaktion während des LBM-Prozesses mit Nickelbasislegierungen zu untersuchen.

Dieser Artikel erläutert Experimente mit Inconel® 718 (IN718), anhand derer die Bildung spezifischer Defekte, die in der Literatur beschrieben wurden, untersucht wurde. Zudem wurden die zugrundeliegenden Ursachen und die Auswirkungen dieser Defekte analysiert. Defekte und Prozessinstabilitäten wurden mittels Optischer Tomographie (OT) erkannt. Ergebnisse aus metallographischen Schliffuntersuchungen wurden dazu verwendet, die Detektierbarkeit verschiedener Defekte mittels OT zu evaluieren. Aus den Ergebnissen wurde ein Defektkatalog abgeleitet.