Heißrissbildung im LPBF: Erstarrungsrisse, Ursachen & Gegenmaßnahmen
Heißrisse im Metall-3D-Druck: Erstarrungsrisse (Solidification Cracking), Aufschmelzrisse, Kornfeinung mit Nanopartikeln (TiC, Zr), Beseitigung breiter Erstarrungsintervalle.
Heißrisse (Erstarrungsrisse und Aufschmelzrisse) sind der gefürchtetste metallurgische Defekt im metallischen 3D-Druck. Sie treten auf, wenn eine Legierung über ein breites Erstarrungsintervall (Solidus-Liquidus-Differenz) erstarrt: Während der Großteil des Gefüges bereits erstarrt ist und thermisch schrumpft, verbleiben an den Korngrenzen flüssige Schmelzfilme mit niedrigschmelzenden Verunreinigungen (Schwefel, Phosphor, Silizium). Die Schrumpfungsspannungen zerreißen diese feuchten Korngrenzen interkristallin. Dieser Leitfaden analysiert die Erstarrungsrisskriterien nach Rappaz und zeigt moderne Gegenmaßnahmen wie Kornfeinung durch Nanopartikel.
- Breite Erstarrungsintervalle (Delta-T > 60 - 100 K) begünstigen das Aufreißen interdendritischer Flüssigkeitsfilme.
- Kornfeinung (Inoculation): Zugabe von Nanopartikeln (TiC, Zr, Sc) wandelt säulenförmige Körner in äquiaxiales Gefüge.
- RDG-Kriterium nach Rappaz, Drezet und Gremaud quantifiziert die Heißrissempfindlichkeit mathematisch.
- Vermeidung von Spurenelementen: Strengste Grenzwerte für Schwefel, Phosphor und Blei im Metallpulver.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Werkstoffklasse | Heißrissneigung | Hauptursache | Erfolgreiche Gegenmaßnahme |
|---|---|---|---|
| Al-Legierungen 7075 / 2024 | Extrem hoch (bislang unschweißbar) | Breites Erstarrungsintervall + Zink/Kupfer-Seigerung | Nanopartikel-Impfung (TiC-Nanopulver) oder AFSD |
| Superlegierungen (CM247LC, IN738) | Sehr hoch | Hoher Ti+Al Anteil (> 5 Gew.-%), Gamma-Prime Risse | Bauplattenvorheizung bis 1.000 °C oder modifizierte Legierung |
| Austenitischer Edelstahl 310 / 316L | Gering bei 316L (Delta-Ferrit) | Erstarrung rein austenitisch (310) | Einstellen von 3-8 % Primär-Delta-Ferrit im Gefüge |
| Werkzeugstähle (1.2343 / H13) | Moderat bis hoch (Martensitrisse) | Kohlenstoffmartensit bei Raumtemperatur | Vorheizung auf 450 °C oberhalb Ms-Temperatur |
Das Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG) Heißrissmodell
Das RDG-Modell beschreibt den Druckabfall der flüssigen Restschmelze zwischen wachsenden Primärdendriten. Wenn thermische Schrumpfspannungen die Dendriten auseinanderziehen, muss flüssiges Metall aus dem Schmelzbad nachfließen (Feeding). Ist der Strömungswiderstand in den engen Dendritenkanälen zu groß, fällt der Druck unter einen kritischen Kavitationsdruck: Ein Mikroriss öffnet sich an der noch flüssigen Korngrenze.
Kornfeinung (Inoculation): Columnar-to-Equiaxed Transition (CET)
Lange säulenförmige Körner (Columnar Grains) sind anfällig für Heißrisse, da sich Verunreinigungen auf durchgehenden geraden Korngrenzen sammeln. Durch Beschichten des Pulvers mit Submikron-Partikeln (z. B. 1 % TiC oder Zirkonhydrid) entstehen bei der Erstarrung Millionen heterogene Keimbildungszentren. Das Gefüge erstarrt vollkommen feinkörnig und äquiaxial (Gleiche Korndurchmesser in allen Richtungen). Heißrisse werden mechanisch blockiert.
Anpassung von Schweißgeschwindigkeit und Schmelzbadform
Hohe Scangeschwindigkeiten ziehen das Schmelzbad tränenförmig in die Länge. Die Dendriten wachsen von beiden Seiten senkrecht aufeinander zu und stoßen in der Schmelzbadmitte frontal zusammen (Mittenriss). Durch Absenken der Scangeschwindigkeit oder Einsatz von Laserstrahlformung (Ringmoden) wird das Schmelzbad kreisrund und flach: Die Erstarrungsfronten treffen sich sanft, was Mittenrisse verhindert.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie erkennt man Heißrisse im metallografischen Schliffbild?
Hilft HIP (Heißisostatisches Pressen) gegen Heißrisse?
Welche Rolle spielt Silizium bei Aluminiumlegierungen?
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