Fundamentals of selective electron beam melting of titanium aluminides

Titanaluminide haben großes Potenzial für Anwendungen im Hochtemperaturbereich auf Grund der hohen Gewichtsersparnis und der gleichzeitig guten Kriechbeständigkeit gegenüber den überwiegend eingesetzten Nickelbasislegierungen, beispielsweise als Turbinenschaufeln in Triebwerken. Jedoch ergeben sich bei der Verarbeitung dieser Materialklasse angesichts ihrer hohen Sensibilität gegenüber Verunreinigungen und geringen Duktilität diverse Problemstellungen. Das Selektive Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) als additives Fertigungsverfahren bietet hierbei wesentliche Vorteile, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Durch die tiegelfreie Fertigung im Vakuum können Verunreinigungen während der Herstellung reduziert werden und durch eine definierte Temperaturführung im Prozess wird die Rissbildung beim Erstarren und Abkühlen des Bauteils vermieden. Die Fertigung von komplexen Bauteilen profitiert von der Geometriefreiheit des Prozesses, welche z.~B. innenliegende Kühlkanäle zulässt. Jedoch sind die Erkenntnisse hinsichtlich der optimalen Schmelzstrategie und des erreichbaren Eigenschaftsspektrums noch unvollständig und das gesamtheitliche Verständnis der Verarbeitung von Titanaluminiden im SEBM ist noch nicht geschaffen worden. Daher werden in der vorliegenden Arbeit die Grundlagen zur Verarbeitung von Titanaluminiden im Selektiven Elektronenstrahlschmelzen entwickelt und die Zusammenhänge zwischen Prozessbedingungen und dem Eigenschaftsprofil des Materials ermittelt. Dazu werden anhand der Titanaluminidlegierung Ti-48Al-2Cr-2Nb die Prozessfenster für dichte Proben abgesteckt und mögliche Schmelzstrategien zur Optimierung der Porosität und der chemischen Eigenschaften aufgezeigt. Die Mikrostruktur entsteht aus einem komplexen Zusammenspiel von Erstarrung, Verdampfung und \textit{in situ} Wärmebehandlung. Die Grundzüge der Mikrostrukturentwicklung im Prozess werden dargelegt und Strategien zur Mikrostrukturoptimierung evaluiert. Mittels nachgeschalteter Wärmebehandlungen wird eine weitere Stellschraube zur Anpassung des Eigenschaftsprofils untersucht. Die Mikrostrukturen aus beiden Ansätzen werden hinsichtlich ihrer statischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und ihren Kriecheigenschaften bewertet. Aus den Ergebnissen lässt sich eine direkte Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der eingestellten Gefügemorphologie ableiten. Die Restporosität reduziert zudem deutlich die Duktilität des spröden Werkstoffs, weshalb hier geeignete Lösungsansätze diskutiert werden. Die erreichten mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit konventionellen Gussbauteilen. Zuletzt wird der Übertrag des Kenntnisstands auf eine weitere Titanaluminidlegierung umgesetzt und dadurch Entwicklungsaufwand stark minimiert. Zusätzlich zeigt eine Machbarkeitsstudie die erfolgreiche Anwendung der Erkenntnisse auf die Fertigung eines Turbinenrads für Turbolader mit definierten Eigenschaften.Titanium aluminides have great potential for high temperature applications, for example as turbine blades in aero engines. The main advantage over conventional nickel based alloys is the high weight saving in combination with good creep resistance. In contrast, due to their high sensitivity to impurities and low ductility, various issues arise in the processing of this material. Selective electron beam melting (SEBM) as an additive manufacturing process offers significant advantages to face these challenges. Crucible free production in a vacuum chamber reduces contamination during production and a defined temperature control in the process prevents cracks during solidification and cooling of the component. The manufacturing of complex components, e.g. turbine blades with internal cooling channels, benefits from the geometric freedom of the process. However, the understanding of tailored melting strategies and the range of achievable properties are still incomplete and the holistic understanding of the processing of titanium aluminides in SEBM has not yet been achieved. The present work develops the basis for the processing of titanium aluminides in selective electron beam melting and determines the relationships between the process parameters and the properties of the material. The titanium aluminide alloy Ti-48Al-2Cr-2Nb is used to define the processing window for dense samples and suitable melting strategies to tailor porosity and chemical properties. The microstructure results from a complex interaction of solidification, evaporation and in situ heat treatment. The main characteristics of the microstructure evolution in the process are presented and strategies for microstructure optimization are evaluated. A further step of property adjustment is implemented by subsequent heat treatments. Both approaches to tailor the microstructure are evaluated with regard to their static properties at room temperature and their creep properties. The mechanical properties show an direct dependency on the adjusted microstructure. Furthermore, the residual porosity significantly reduces the ductility of the brittle material, which is why suitable solutions for this challenge are addressed. The achieved mechanical properties are comparable to those of conventional casted material. The process is transferred to another titanium aluminide alloy, using the new understanding to considerably minimize the development effort. Finally, a feasibility study shows the successful application of the findings by manufacturing a turbine wheel for turbochargers with defined properties