Forschungsprojekt zeigt verbesserte Oberflächen und Haltbarkeit additiv gefertigter Bauteile durch Packzementierung

In einem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt der Neue Materialien Bayreuth GmbH wurde demonstriert, dass die Packzementierung die Oberflächenrauigkeit sowie die Heißkorrosions- und Oxidationsbeständigkeit von additiv gefertigten Bauteilen signifikant verbessern kann. Diese Erkenntnisse stammen aus dem IGF-Forschungsprojekt „SLM-Pack“, das in Zusammenarbeit mit dem Dechema-Forschungsinstitut (DFI) durchgeführt wurde.

Die Additive Fertigung, insbesondere das Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-Verfahren, bietet die Möglichkeit, Bauteile mit nahezu unbegrenzten Geometrien schnell und unabhängig von traditionellen Prozessketten herzustellen. Allerdings weisen die gedruckten Bauteile oft eine hohe Oberflächenrauigkeit und oberflächennahe Defekte auf, die ihre Oxidationsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Ermüdungsfestigkeit, beeinträchtigen. Um diese Nachteile zu kompensieren, sind in der Regel aufwändige Nachbearbeitungen wie Sandstrahlen und Schleifen erforderlich, was bei komplexen Geometrien besonders zeitintensiv ist.

Das Packzementierverfahren, eine Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD), wird seit Jahrzehnten eingesetzt, um Schutzschichten auf metallischen Oberflächen zu erzeugen. Diese Schichten, reich an Chrom, Silizium oder Aluminium, verbessern die Heißkorrosions- und Oxidationsbeständigkeit von Hochtemperaturlegierungen erheblich. Die Herausforderung und das Ziel des „SLM-Pack“-Projekts bestand darin, die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf additiv gefertigte Bauteile zu untersuchen.

Die Forschungsergebnisse sind vielversprechend. Durch die Packzementierung konnte die Oberflächenrauigkeit der aluminierten Proben aller untersuchten Legierungen um 20 % reduziert werden. Zudem zeigte sich eine deutliche Verbesserung der Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu konventionell gefertigten Legierungen, da die Aluminiumdiffusionsschicht die Ausbreitung von Rissen verhindert. Ein weiterer bedeutender Vorteil war die Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der Bauteile, die selbst bei Temperaturen bis zu 1.000°C eine schützende Al2O3-Schicht bildeten. So verbesserte sich die Oxidationsbeständigkeit einer L-PBF-gedruckten Legierung 625 um das Fünffache, bei der Legierung 718 sogar um das Siebzehnfache.

Das Projekt „SLM-Pack – Oberflächenveredelung additiv gefertigter Bauteile: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und des Oxidationsverhaltens“ wurde von der Industriellen Gemeinschaftsforschung IGF gefördert (Förderkennzeichen 21431 N). Diese Ergebnisse bieten neue Perspektiven für die industrielle Anwendung additiv gefertigter Bauteile, insbesondere in Bereichen, die hohe Anforderungen an Materialbeständigkeit und -leistung stellen.