SB_20979NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Herstellung beanspruchungsgerechter
Oberflächen durch
Kombination innovativer
additiver und abtragender
Fertigungsschritte an hochbelasteten
Komponenten

Herstellung
beanspruchungsgerechter
Oberflächen durch
Kombination innovativer
additiver und abtragender
Fertigungsschritte an
hochbelasteten Komponenten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.979 N
DVS-Nr.: 01.3211
Bundesanstalt für Materialforschung und -
prüfung (BAM)
Technische Universität Clausthal
Institut für Schweißtechnik und Trennende
Fertigungsverfahren
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.979 N / DVS-Nr.: 01.3211 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 578
Bestell-Nr.: 170688
ISBN: 978-3-96870-578-1
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................ 1
Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen ............................................................ 4
1 Einleitung ............................................................................................................ 7
2 Zielsetzung ....................................................................................................... 11
2.1 Angestrebte Forschungsergebnisse .............................................................. 11
2.2 Vorgehensweise zur Erreichung des Forschungszieles ................................ 11
3 Stand der Technik ............................................................................................. 16
3.1 Hochleistungslegierungen ............................................................................. 16
3.1.1 CoCr26Ni9Mo5W ................................................................................ 16
3.1.2 Ni36 ..................................................................................................... 17
3.2 Fertigung ....................................................................................................... 17
3.2.1 Additive Fertigung ............................................................................... 17
3.2.2 Spanende Fertigung ............................................................................ 22
3.2.3 Hybride Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide ............... 25
3.3 Fertigungseinflüsse ....................................................................................... 27
3.3.1 Gefüge ................................................................................................ 27
3.3.2 Wechselwirkung der additiven und abtragenden Fertigung ................. 28
3.3.3 Oberflächenintegrität ........................................................................... 28
3.3.4 Eigenspannungen ............................................................................... 31
4 Versuchsdurchführung ...................................................................................... 35
4.1 Versuchswerkstoffe ....................................................................................... 35
4.2 Versuchsplanung der Schweißversuche ....................................................... 35
4.3 PTA-Prozess ................................................................................................. 37
4.4 PVD-Beschichtung ........................................................................................ 39
4.5 MSG-Prozess ................................................................................................ 39
4.6 Zerspanungsanalyse ..................................................................................... 40
4.6.1 Versuchsaufbau .................................................................................. 41
4.6.2 Versuchsplanung der Zerspanversuche .............................................. 42
4.6.3 Zerspankraft ........................................................................................ 43
4.6.4 Temperatur .......................................................................................... 44
4.6.5 Eigenspannungsanalyse ..................................................................... 45
4.6.6 Oszillation ............................................................................................ 46
4.6.7 Werkzeugentwicklung ......................................................................... 49
1

Inhaltsverzeichnis
4.7 Werkstoff- und Oberflächenanalyse .............................................................. 50
4.7.1 Schweißgefüge.................................................................................... 50
4.7.2 Härte ................................................................................................... 51
4.7.3 Oberflächenintegrität ........................................................................... 52
4.8 Prozesskettenanalyse, Bauteilversuche und –prüfung.................................. 53
4.8.1 Hochtemperaturstrahlverschleiß ......................................................... 53
4.8.2 Pin Abrasion Testing ........................................................................... 54
4.8.3 Dilatometrie ......................................................................................... 55
4.8.4 Bauteilversuche ................................................................................... 56
4.9 Übertragbarkeitsanalyse................................................................................ 58
5 Versuchsergebnisse und Diskussion ................................................................ 59
5.1 CoCr-Legierung ............................................................................................. 59
5.1.1 Werkzeugentwicklung ......................................................................... 59
5.1.2 Schweißergebnisse der Ausgangslegierung ....................................... 64
5.1.3 Zerspanbarkeit der Ausgangslegierung ............................................... 65
5.1.4 Legierungsmodifikation mittels PTA .................................................... 69
5.1.5 Übertragungskonzept auf MSG-Schweißungen .................................. 75
5.1.6 Legierungsmodifikation beim MSG-Prozess ....................................... 77
5.2 Ni36-Legierung .............................................................................................. 83
5.2.1 Schweißergebnisse der Ausgangslegierung ....................................... 83
5.2.2 Zerspanbarkeit der Ni36-Legierung ..................................................... 85
5.2.3 Legierungsmodifikation mittels PTA .................................................... 92
5.2.4 Übertragungskonzept auf MSG-Schweißungen ................................ 100
5.2.5 Legierungsmodifikation beim MSG-Prozess ..................................... 100
5.3 Adaptierung der Prozesskette und Bauteilversuche .................................... 108
5.3.1 Hochtemperaturstrahlverschleißprüfung an CoCr-Legierung ............ 108
5.3.2 Dilatometer an Ni36-Legierung ......................................................... 109
5.3.3 Pin Abrasion Testing ......................................................................... 111
5.3.4 Bauteilversuche ................................................................................. 113
5.4 Transferanalyse für CoCr28Mo6 und NiCr23Mo9Nb ................................... 117
5.4.1 CoCr28Mo6 ....................................................................................... 117
5.4.2 NiCr23Mo9Nb ................................................................................... 118
5.4.3 Zerspanbarkeit der Transferwerkstoffe .............................................. 119
6 Zusammenfassung, Empfehlungen ................................................................ 123
7 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 126
2

Inhaltsverzeichnis
8 Abbildungsverzeichnis .................................................................................... 134
9 Tabellenverzeichnis ........................................................................................ 142
3

Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen
Griechische Symbole
α [°] Freiwinkel
β [°] resultierender Winkel
βk [°] Keilwinkel
γ [°] Spanwinkel
ϑ [-] Poissonzahl
λ [°] Vorschubwinkel
σmax [MPa] maximale Haupteigenspannung
σx [MPa] Eigenspannung in Vorschubrichtung
σy [MPa] Eigenspannung normal zur Vorschubrichtung
σ45 [MPa] Eigenspannung 45° zur Vorschubrichtung
τ [°] Kippwinkel
6

Einleitung
1 Einleitung
Deutschland hat sich das Ziel gesetzt, seine Treibhausgasemissionen bis 2040 um
88 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Bis 2030 sind Emissionssenkungen um bis zu
65 % angestrebt. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, sind in der Industrie
Prozessemissionen durch höhere Energie-, Rohstoff- und Materialeffizienz zu senken
[1]. Bei der Umsetzung dieses Ziels sind vor allem Anlagenkomponenten kritisch, die
neben korrosiven und tribologischen Beanspruchungen, insbesondere hohen
thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Sowohl die Beschaffung
als auch die Verarbeitung von Werkstoffen für solche kombinierten Beanspruchungen,
wie Nickel- und Kobalt-Chrom-Legierungen, sind kostenintensiv. Zudem erfolgt die
Fertigung dieser Bauteile vorwiegend durch KMU. Ferner führen die heutigen
Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz zunehmend zur Leichtbauweise
und so zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen. In diesem Zusammenhang ist der
Einsatz additiver Fertigungsschritte zur Reparatur von Bauteilen, zur Aufbringung von
Schutzschichten oder zum Urformen ganzer Komponenten oftmals mit deutlichen
ökologischen und ökonomischen Vorteilen verbunden – in manchen Fällen sogar
dadurch erst wirtschaftlich [2]. Beispiele hierfür finden sich bei Komponenten im
Formen-, Turbinen- oder im Anlagenbau (bspw. Rauchgasentschwefelung) [3].
Darüber hinaus erfordern die meisten Anwendungsfälle aufgrund von Sicherheits-,
Kosten- und Technologieaspekten eine besonders hohe Formgenauigkeit und
Integrität der Bauteiloberflächen. Für die Reparatur und Herstellung hochbelasteter
kostenintensiven Komponenten sind additive und abtragende Fertigungsschritte
komplementär einsetzbar [4]. Im Fokus liegen besonders die Werkstoffe für
Hochtemperaturanwendungen CoCr26Ni9Mo5W im Bereich Verschleißschutz und
Ni36 für die Herstellung großformatiger Formen für CFK-Bauteile. Aufgrund der
Bauteilgrößen und der sehr schweren Zerspanbarkeit der Verschleißschutz-Legierung
hat die kombinierte additive und abtragende Fertigung für diese Anwendungsfälle ein
besonders hohes wirtschaftliches Potential für KMU. Hierfür ist es aber dringend
erforderlich, die Technologien gezielt aufeinander abzustimmen, um einerseits die teils
komplexen Endkonturen exakt zu generieren und um anderseits
beanspruchungsgerechte Funktionsflächen wirtschaftlich herzustellen. Für den
ökonomischen Einsatz solcher kombinierten Verfahren bei KMU sind noch wesentliche
Fragestellung zu klären [2]. Insbesondere betrifft dies die Metallurgie, die
Inhomogenität und die Anisotropie der speziellen Gefüge bzw. Gefügeeigenschaften
bei der Generation von Werkstoffen aus Ni- und CoCr-Legierungen. Darüber hinaus
sind auch die Eigenschaftsveränderungen und Beanspruchungen in den Randzonen
durch abtragende Bearbeitung dieser schwer zerspanbaren Werkstoffe von Bedeutung
für die daraus resultierende Bauteilperformance, speziell beim Einsatz in
hochbelasteten sicherheitsrelevanten Bauteilen.
Zwar gibt es für die Kombination aus additiven und abtragenden Fertigungsverfahren
schon Untersuchungen, wie in [5]. Diese basieren jedoch vornehmlich auf
Lasertechnologien. Neben laserbasierten Verfahren sind für den wirtschaftlichen
Einsatz schweißtechnische Prozesse mit hohen Produktions- bzw. Auftragraten und
großer industrieller Verfügbarkeit wesentlich [2, 6]. So haben für KMU Erkenntnisse zu
7

Einleitung
pulver- und drahtbasierten Lichtbogenverfahren eine besonders wichtige Bedeutung.
Ein Großteil der Erfahrungen und Anlagentechnik ist für Plasma-Pulver-
Auftragschweißen (PTA, Plasma-Transferred-Arc) und MSG-Prozesse vorhanden.
MSG-Prozesse zeichnen sich außer durch hohe mögliche Auftragraten durch einen
sehr hohen Entwicklungsstand aus, wie den geregelten Verfahrensvarianten [7, 8].
Neben dem Erreichen der mechanisch-technologischen Eigenschaften sind die
Beanspruchungen im Bauteil während der additiven Fertigung zu minimieren. So
haben auftretende Spannungen bzw. Eigenspannungen während und nach der
Fertigung deutlich negative Einflüsse auf die Sicherheit und Integrität des Bauteils. Für
die Vermeidung von Rissbildung sind möglichst geringe Zugeigenspannungen, gerade
in den kritischen Bauteilbereichen, erforderlich. Zudem liegen bei der Reparatur von
Bauteilen hohe Steifigkeitsverhältnisse vor, die zusätzlich zu hohen Beanspruchungen
führen können. Eine Reduzierung solcher schweißbedingten Beanspruchungen ist
durch die Berücksichtigung der Einspannbedingungen sowie durch adäquate
Fertigungsstrategien und Wärmeführung zu erreichen, wie aktuelle Studien der BAM
(FE1) belegen [9]. Des Weiteren sind für PTA- und MSG-Prozesse kommerziell
Schweißzusätze als Pulver und Draht verfügbar. Diese lassen sich modifizieren
(Pulverbeimengung oder Beschichtung der Drähte), um für additive Fertigungsschritte
die Schmelzbadausbildung sowie Erstarrungs- und Ausscheidungsmorphologie positiv
zu beeinflussen und um die Bildung von homogenen, isotropen Gefügen bzw.
Eigenschaftsprofilen und geringen Bauteilspannungen zu begünstigen [10]. Die
Möglichkeiten solcher Schweißzusatzmodifikationen konnten vom ISAF (TU Clausthal,
FE2) in einigen Arbeiten aufgezeigt werden und sind bereits bei KMU auf großes
Interesse gestoßen [11].
Die schweißtechnische Generierung von Bauteilen mit höherer Auftragrate verbunden
mit der Erzeugung definierter Konturen und Funktionsoberflächen bei komplexeren
Geometrien benötigt in der Regel das Schlichten mit geometrisch bestimmter Schneide
[2, 5, 12]. Zumeist sind die Anforderungen an die Oberflächenintegrität
sicherheitsrelevanter Bauteile gerade bei den schwer zerspanbaren Werkstoffen für
Hochtemperaturanwendungen sehr hoch. Dem wird heute zunehmend mit hybriden
Bearbeitungsverfahren begegnet [12]. Beispielsweise hat sich beim Schleifen harter
und spröder Werkstoffe, wie Glas und Keramik, eine Überlagerung der
Schneidbewegung mit Ultraschalloszillation in axialer Richtung bewährt, um
Prozesskräfte, Temperaturen und Werkzeugverschleiß zu minimieren und die
Oberflächenqualität zu erhöhen, sodass dieses Verfahren für viele innovative
Werkstoffe Stand der Technik ist. Ähnlich positive Effekte wurden für den
ultraschallunterstützten Fräsprozess (US) gefunden [12]. Der Einfluss dieser
Prozessvariante auf die Oberflächenintegrität schwer zerspanbarer Ni- und CoCr-
Legierungen war noch nicht Gegenstand der Forschung. Aufgrund der Effekte und
Wechselwirkungen auf die Oberflächen- und Bauteilintegrität der speziellen Gefüge
additiv gefertigter Bauteile durch nachfolgende Zerspanprozesse sind für
hochwirtschaftliche Fertigungs- und Reparaturtechnologien hochbelasteter
Komponenten weiterführende Kenntnisse erforderlich [5, 13-15]. Untersuchungen
hierzu gibt es bis heute nicht, sind aber dringend notwendig. Zudem sind die Reparatur
und additive Fertigung unzureichend in Regelwerken und Normen berücksichtigt. Dies
ist vor allem für KMU relevant. Diese finden kaum Angaben zu Reparaturkonzepten
8

Einleitung
oder Hinweise für eine beanspruchungsgerechte und sichere Fertigung bei minimaler
schweißbedingter Beanspruchung. Dadurch ist der wirtschaftliche Einsatz dieser
Fertigungsverfahren limitiert.
Die angestrebten Forschungsergebnisse adressieren primär die Verarbeiter
kostenintensiver Hochtemperaturwerkstoffe und dienen dem Ausgleich bestehender
Wettbewerbsnachteile von KMU. In Deutschland sind 94,2 % der Betriebe für die
Herstellung von Metallerzeugnissen KMU mit einer Mitarbeiteranzahl von unter 250.
Diese Betriebe beschäftigen etwa 58,6 % der rund 680.000 tätigen Personen dieser
Branche und erzielen 66,3 % des gesamten Branchenumsatzes von 118,2 Mrd. € [16].
Die Ergebnisse lassen sich auch branchenübergreifend in einer Vielzahl von Betrieben
nutzen, die mit der Reparatur von hochbelasteten Komponenten befasst sind.
Typischerweise sind dies Unternehmen, besonders KMU, die im Anlagen-, Turbinenoder
Formenbau angesiedelt sind. Durch die Erkenntnisse wird zudem eine
Erweiterung des Anwenderkreises erreicht.
In diesem Forschungsvorhaben wird untersucht, wie der wirtschaftliche Einsatz
kombinierter additiver und abtragender Fertigungsschritte bei der Bauteilreparatur und
-fertigung sowie beim Auftragschweißen von Schutzschichten aus kostenintensiven
Hochtemperaturwerkstoffen gelingt. Analysen zur abtragenden Bearbeitung innerhalb
der Prozesskette bei der Bauteilfertigung schwer zerspanbaren Legierungen erhöhen
zugleich die Prozesssicherheit beim Fräsen. Dies ist gerade durch den zunehmenden
Einsatz kostenintensiver hochbelasteter Komponenten hinsichtlich der Ziele zur
geplanten Emissionsreduktion wesentlich. Dabei lassen sich bestehende
Wettbewerbsnachteile verarbeitender Unternehmen und insbesondere von KMU
infolge fehlender Forschungs- und Entwicklungskapazitäten ausgleichen. Das
Vorhaben verfolgt innovative Ansätze für die additive und abtragende Fertigung, deren
parallele Untersuchung Synergieeffekte zulässt. Zum einen wird mit
Legierungsmodifikationen beim additiven Schweißen Einfluss auf den Prozess, die
Metallurgie sowie Gefüge der Bauteile und auf nachfolgende abtragende
Fertigungsschritte genommen. Ziel ist die Vermeidung der für viele Anwendungsfälle
nachteiligen inhomogenen und anisotropen Werkstoffeigenschaften. Zudem lässt sich
durch die Legierungsmodifikation eine erhöhte Oberflächenspannung der Schmelze
erreichen und für die additive Fertigung adaptieren, um hinsichtlich Fertigungsstrategie
und Lagenaufbau eine größere Bandbreite an Fertigungsfreiheitsgraden zu gestatten.
Zum anderen sind durch ultraschallunterstützte Bearbeitungsverfahren gerade beim
Schlichtfräsen positive Auswirkungen auf die Oberflächenintegrität und Standzeit der
Werkzeuge erzielbar. Die Betrachtung der gesamten Prozesskette gestattet zudem
Erkenntnisse zur Erhöhung der Bauteil- und Oberflächenintegrität. Neben dem
Widerstand gegen Verschleiß und Korrosion der untersuchten Werkstoffe sind gerade
die hohen thermischen und mechanischen Belastungen wesentlich, denen die
sicherheitsrelevanten Komponenten ausgesetzt sind. Durch die Umsetzung der
Forschungsergebnisse in technische Regelwerke, Verarbeitungsempfehlungen und
durch Einbringung in die jeweiligen Normungsgremien werden nachhaltig
branchenübergreifend konkrete Maßnahmen und Handlungshilfen entwickelt, um
beanspruchungsgerecht additiv zu fertigen und Reparatur- sowie
Auftragschweißungen durchzuführen. Dem Verarbeiter werden Handlungshilfen zur
9