Univ., Diss.--Hannover, 2001. / Auch als elektronische Ressource vorh. Unterschiede zwischen dem gedruckten Dokument und der elektronischen Ressource können nicht ausgeschlossen werden.

Hannover, Universiẗat, Diss., 2002.

Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss.--Siegen, 2006.

Zugl.: Cottbus, Techn. Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 2003--Kiel.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen. / This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I / This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.