Influence of Processing Parameters during Hot Isostatic Pressing on Properties and Microstructure of Additive Manufactured TiAl6V4
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O. Stelling
Abstract
The process chain, typical for additive laser beam powder bed fusion manufacturing of TiAl6V4 components in the aerospace industry, includes hot isostatic pressing (HIP) to reduce the initial porosity. The comparably high temperatures and pressures required by this process, are likely to affect the microstructure and thus also the material properties. Specific variations of the HIP parameters are examined by means of controlled HIP cycles. The parameter variations were kept within conventional boundaries of aeronautics specifications. Specific tests designed to more clearly point out any interdependencies and potential benefits to HIP were also conducted using parameters deviating from the conventional ones. The influence of the HIP parameters was examined using hardness measurements, tensile tests and optical microscopy. Some samples were also examined under a scanning electron microscope. The examinations show that, especially as HIP temperatures rise, the α-lamellae in typical microstructures created by this manufacturing process will grow, reducing strength and simultaneously increasing ductility. It could also be shown that average cooling rates of 75–3000 K/h did not measurably change the microstructure or static properties. As opposed to this, specific quenching at rates of 18 000 K/h during hot isostatic pressing and subsequent ageing for 20 h at 500 °C will create secondary structures comprising α-needles of < 100 nm width. The resultant local microstructure is significantly finer and will increase strength without decreasing ductility.
Kurzfassung
Die in der Luftfahrt typische Prozesskette von mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlprozess additiv gefertigten TiAl6V4-Komponenten sieht ein heißisostatisches Pressen (HIP) zur Reduzierung der Ausgangsporosität vor. Aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen und Drücke ist mit einer Beeinflussung des Gefüges und somit auch der resultierenden Eigenschaften durch diesen Prozessschritt zu rechnen. Anhand kontrollierter HIP-Zyklen wurden gezielte Variationen der HIP-Parameter durchgeführt. Die Parametervariationen orientierten sich an den in Luftfahrtspezifikationen üblichen Grenzen. Zudem wurden gezielt Versuche außerhalb der gängigen Vorgaben durchgeführt, um eventuelle Abhängigkeiten deutlicher darzustellen und ggf. weitere Potentiale des HIP-Prozesses aufzuzeigen. Der Einfluss der HIP-Parameter wurde anhand von Härtemessungen, Zugversuchen sowie lichtmikroskopischen Untersuchungen analysiert. Für einzelne Proben wurden zudem rasterelektronenmikroskopische Analysen herangezogen. Die Untersuchungen zeigen, dass es insbesondere mit steigender HIP-Temperatur zu einem Wachstum der α-Lamellen des für das Herstellungsverfahren typischen Gefüges und in Folge dessen zu einer Reduzierung der Festigkeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Duktilität kommt. Bezüglich der Abkühlgeschwindigkeit konnte gezeigt werden, dass mittlere Abkühlraten von 75–3000 K/h zu keiner messbaren Veränderung von Gefüge bzw. statischen Eigenschaften führen. Im Gegensatz dazu kann durch gezieltes Abschrecken mit Raten von 18 000 K/h beim heißisostatischen Pressen und anschließendem Auslagern für 20 h bei 500 °C die lokale Bildung einer Sekundärstruktur aus α-Nadeln von weniger als 100 nm Breite erreicht werden. Die resultierende, lokal deutlich feinere Gefügestruktur hat eine Steigerung der Festigkeiten ohne Reduzierung der Duktilität zur Folge.
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