Hot Cracking in LPBF: Solidification Cracks and Mitigation Mechanisms
Hot cracking mechanisms in metal AM: solidification cracking, liquation cracking, grain boundary segregation, and inoculant grain refinement using nanoparticles.
Hot cracking plagues non-weldable alloys in AM. Wide solidification intervals leave liquid films on grain boundaries that tear under thermal contraction. Inoculation and beam shaping prevent crack formation.
- 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.
Technical Specifications & Comparison Matrix
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 |
The Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG) Solidification Model
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.
Grain Inoculation: Columnar-to-Equiaxed Transition
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.
Melt Pool Aspect Ratio and Travel Speed Tuning
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.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Wie erkennt man Heißrisse im metallografischen Schliffbild?
Hilft HIP (Heißisostatisches Pressen) gegen Heißrisse?
Welche Rolle spielt Silizium bei Aluminiumlegierungen?
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