Development of Laser Powder Bed Fusion parameters and their effect on the microstructure formation in Low Alloyed Steels

Abstract

Über den Prozess der additiven Fertigung können 3D-Teile direkt auf Grundlage eines CAD-Modells gefertigt werden. Dadurch ergeben sich Designmöglichkeiten, die mit klassischen subtraktiven Fertigungstechniken oder Gusstechniken nicht umsetzbar sind. Eine der am weitest verbreiteten Techniken ist die Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Dabei wird Material durch die thermische Energie eines Lasers verschmolzen. Derzeit gibt es weniger als zehn Eisenlegierungen, die für die kommerzielle Nutzung in L-PBF von Equipment Herstellern zugelassen sind und bei allen handelt es sich um rostfreie oder Werkzeugstähle. Aufgrund des Fehlens niedrig legierter Stähle behandelt diese Arbeit die Verarbeitbarkeit einiger kommerziell erhältlicher niedrig legierter Stahlpulver. Es wurde der Einfluss der Legierungszusammensetzung und der Prozessparameter auf die Mikrostruktur der produzierten Teile untersucht. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen Porosität und anderen Defekten zur volumetrischen Energiedichte geschaffen, welcher in weiterer Folge verwendet werden kann, um Prozessparameter von einer L-PBF Maschine auf eine andere zu übertragen. Es wurden durch diese Analyse Prozessfenster für die untersuchten Legierungen gefunden, in denen hochdichte Teile ohne Defekte produziert werden können. Außerdem konnten die Einflüsse der Zusammensetzung des Stahlpulvers und des Transfers zwischen L-PBF Maschinen auf das Prozessfenster gezeigt werden.

Additive Manufacturing (AM) is a process that allows for the production of 3D parts based on a CAD-model. This provides noticeable freedom of design that cannot be realized when using traditional subtractive manufacturing (i.e. machining) or casting processes. One of the most prominent AM technologies is Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), which uses thermal energy to selectively fuse regions of a powder bed together. Currently in L-PBF there are fewer than ten ferrous alloys that have been approved for commercial use, and of those alloys they are either stainless or tool steels. Meaning that there is a lack of ferrous alloys that can be used for structural applications. This work focuses on the processability of a variety of Low Alloyed Steels via L-PBF. The goal was to define the printability of said alloys by determining the optimal process windows that allow for the production of high density, defect-free parts. To do so the microstructures of the mentioned Low Alloyed Steels were examined to identify the types of defects that can form, as a function of both, the processing conditions and alloy composition. By doing this analysis a process window can be obtained that allows for the production of high density, defect-free ferrous alloys that can be used in structural applications.