Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir riesige, komplexe Metallobjekte nicht bauen, indem wir sie aus einem großen Block herausen oder geschmolzenes Metall in eine Form gießen, sondern indem wir sie Schicht für Schicht „drucken“, wie ein 3D-Drucker für schwere Maschinen. Dies ist das Reich des additiven Fertigungsverfahrens. Während einige 3D-Drucker Laser verwenden, um winzige Metallpulver zu schmelzen, nutzen andere einen riesigen, robotergesteuerten Schweißbrenner, um einen Draht zu schmelzen, während er aufgetragen wird. Diese spezifische Methode wird als Wire Arc Directed Energy Deposition (WA-DED) bezeichnet. Stellen Sie sich das wie eine sehr präzise, superschnelle Heißklebepistole vor, nur dass statt Kleber flüssiger Stahl ausgespuckt wird.

Das Material in Frage ist eine spezielle Art von Stahl namens „Martensitischer Stahl“ (Maraging Steel). Der Name klingt wie eine Mischung aus „mar“ (für Martensit, eine superstarke Kristallstruktur) und „age“ (da er noch stärker wird, wenn man ihn erhitzt und ruhen lässt, ein Prozess, der als „Altern“ bezeichnet wird). Es ist die Art von Metall, die für Raketenteile und Hochleistungswerkzeuge verwendet wird, weil es unglaublich zäh und stark ist. Das Drucken dieser speziellen Stahlart mit einem Schweißbrenner ist jedoch knifflig. Wenn die „Heißklebepistole“ wackelt oder die Hitze nicht stimmt, kann das Metall schwach werden oder Löcher bekommen. Wissenschaftler versuchen seit langem herauszufinden, was das perfekte Rezept aus Geschwindigkeit, Hitze und Drahtgeschwindigkeit ist, um diesen Prozess zuverlässig zu machen. Dies war das Rätsel, das die Forscher lösen wollten.

Das große Metalldruck-Rätsel

In dieser Studie beschloss ein Team von Forschern aus Portugal, den Metalldruckprozess wie ein riesiges wissenschaftliches Experiment zu behandeln. Sie wollten die „Goldlöckchen“-Einstellungen finden, um 18Ni-350 martensitischen Stahl mit einem drahtzuführenden Schweißbrenner zu drucken. Ihr Ziel war nicht nur, einen Metallblock herzustellen; sie wollten einen Block herstellen, der stark, zäh und frei von Defekten ist, und dann zu beobachten, was passiert, wenn sie ihm eine spezielle Wärmebehandlung geben.

Das perfekte Rezept finden
Das Team begann damit, mit drei Hauptreglern an ihrer Maschine zu spielen: wie schnell der Brenner sich bewegt (Vorschubgeschwindigkeit/Travel Speed), wie schnell der Draht in die Flamme gespeist wird (Drahtvorschubgeschwindigkeit/Wire Feed Speed) und wie viel elektrische Leistung verwendet wird (Spannung/Voltage). Sie verwendeten eine clevere statistische Methode namens „Design of Experiments“ (Versuchsplanung), um Dutzende von Kombinationen zu testen, ohne Monate zu verschwenden.

Sie maßen die „Lichtbogenstabilität“, was im Grunde bedeutet, wie stetig die Schweißflamme ist. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine gerade Linie mit einem Stift zu zeichnen, der ständig zittert; das ist ein instabiler Lichtbogen. Wenn der Stift ruhig ist, erhalten Sie eine glatte Linie. Die Forscher fanden heraus, dass die Spannung und die Drahtvorschubgeschwindigkeit die wichtigsten Zutaten waren. Die Geschwindigkeit des Brenners spielte eine weniger wichtige Rolle.

Durch das Auswerten der Zahlen entdeckten sie die perfekte Einstellung, um die Flamme stabil zu halten:

• Vorschubgeschwindigkeit (Travel Speed): 481 mm/min
• Drahtvorschubgeschwindigkeit (Wire Feed Speed): 5,9 m/min
• Spannung (Voltage): 23,4 V

Bei diesen Einstellungen sagten sie voraus, dass der Lichtbogen etwa 96,3 % der Zeit stabil sein würde. Es ist, als fände man den exakten Druck, mit dem man eine Zahnpastatube zusammendrückt, damit die Paste in einem perfekten, stetigen Strom herauskommt, ohne zu spritzen.

Die Wände bauen
Sobald sie ihr perfektes Rezept hatten, bauten sie zwei Arten von Metallwänden. Zuerst fertigten sie dünne, einlagige Wände an, um zu testen, wie stark das Metall beim Auseinanderziehen ist (Zugfestigkeit). Dann bauten sie eine viel dickere Wand, indem sie vier Metallbahnen pro Schicht ablegten, ähnlich wie das Stapeln von Ziegeln mit einer leichten Überlappung, um zu sehen, wie sich das Metall in einer realistischeren, massiveren Form verhält.

Die Ergebnisse: Stärker und Zäher
Als sie die dünnen Wände testeten, waren die Ergebnisse beeindruckend.

• Vor der Wärmebehandlung (As-Built): Das Metall war bereits recht stark, mit einer Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength) von 1253 MPa bis 1366 MPa, je nachdem, in welche Richtung man zog.
• Nach der Wärmebehandlung (Gereift/Aged): Sie erhitzten das Metall auf 480 °C für 5 Stunden und ließen es abkühlen. Dies ist der Teil des „Alterns“. Plötzlich wurde das Metall noch stärker und erreichte 1613 MPa bis 1687 MPa. Noch besser: Es wurde auch dehnbarer (die Dehnung stieg von etwa 6 % auf 8,5–10,2 %).

Normalerweise gilt: Wenn Metall stärker wird, wird es auch spröder (wie ein trockener Zweig, der knackt). Aber hier wurde das Metall sowohl stärker als auch flexibler. Die Forscher vermuten, dass dies daran liegt, dass die Wärmebehandlung einige der winzigen Unvollkommenheiten geglättet hat, die beim Druckprozess entstanden sind.

Die Überraschung der dicken Wand
Als sie die dicke, mehrlagige Wand untersuchten, fanden sie etwas Interessantes über deren Härte heraus.

• Vor der Wärmebehandlung: Sie war bereits recht hart mit 508 HV1.0.
• Nach der Wärmebehandlung: Sie wurde noch härter und erreichte 625 HV1.0.

Die Tatsache, dass das „As-Built“-Metall bereits so hart war, deutet darauf hin, dass der Prozess des Aufbaus der dicken Wand wie eine Mini-Wärmebehandlung auf sich selbst wirkte. Als jede neue heiße Metalllage hinzugefügt wurde, erhitzte sie die darunter liegenden Schichten leicht neu und temperierte sie vor der endgültigen Ofenbehandlung.

Der Zähigkeitstest
Schließlich testeten sie, wie viel Energie das Metall aufnehmen kann, bevor es bricht (Kerbschlagzähigkeit), mittels eines Pendelschlagversuchs (Charpy V-notch).

• As-Built: 438 ± 2 J
• Gereift (Aged): 440 ± 3 J

Hier liegt der Clou: Die Wärmebehandlung machte das Metall härter und stärker, aber sie änderte die Menge der Energie, die es aufnehmen konnte, nicht. Die Zähigkeit blieb exakt gleich. Die Forscher erklären dies damit, dass die Merkmale, die bestimmen, wie das Metall bricht, bereits während des Druckprozesses selbst festgelegt wurden, nicht während der abschließenden Erhitzung. Es ist, als würde die „Zähigkeit“ eines Schokoriegels durch die Mischung der Zutaten bestimmt, nicht durch die Verpackung, in die man ihn später einwickelt.

Was kommt als Nächstes?
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese Methode ein gangbarer Weg ist, um große, starke und zähe Teile aus 18Ni-350 martensitischem Stahl herzustellen. Sie fanden einen optimalen Bereich für die Maschineneinstellungen, der gut für den Kurzschlussmodus des Schweißens funktioniert. Sie merken jedoch an, dass dieser „ideale Punkt“ direkt an der Grenze der von ihnen getesteten Einstellungen liegt. Um ein wahres globales Optimum zu finden, müssten sie noch breitere Einstellbereiche testen. Sie schlagen auch vor, dass zukünftige Arbeiten tiefer in die winzigen Kristalle innerhalb des Metalls eintauchen sollten und untersuchen sollten, ob eine andere Art der Wärmebehandlung vor dem endgültigen Altern die Teile noch besser machen könnte.

Kurz gesagt: Diese Forscher haben herausgefunden, wie man einen riesigen Metall-3D-Drucker so abstimmt, dass er einen superstarken Stahl erzeugt, der nach einem „warmen Bad“ sogar noch besser wird. Damit haben sie bewiesen, dass man komplexe, Hochleistungsteile drucken kann, ohne eine millionenteure Lasermaschine zu benötigen.