DE112020002099T5

DE112020002099T5 - 3D-Druckbare harte Eisenmetalllegierungen für Pulverbettfusion

Info

Publication number: DE112020002099T5
Application number: DE112020002099.1T
Authority: DE
Inventors: Charles D. Tuffile; Harald Lemke
Original assignee: Formetrix Inc
Current assignee: MacLean Fogg Co
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2022-01-20
Also published as: WO2020219345A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Legierungszusammensetzungen für 3D-Metalldruckverfahren, die Metallteilen hohe Härte, Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung verleihen. Die Legierungen enthalten Fe, Cr und Mo und mindestens drei oder mehr Elemente, ausgewählt aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N. Ni kann durch Mn ersetzt werden. Teile im unbehandelten Zustand weisen eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 640 MPa, eine Dehnung von mindestens 3,0 % und eine Härte (HV) von mindestens 375 auf.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anwendung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 16/393,194 , eingereicht am 24. April 2019, einer Teilfortsetzung der US-Anmeldung 15/800,210 , eingereicht am 1. November 2017, die den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/415,667 beansprucht, eingereicht am 1. November 2016, welche hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Legierungszusammensetzungen und 3D-Metalldruckverfahren zum Ausbilden von Metallteilen mit vergleichsweise hoher Härte, Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung. Die Legierungen zeigen auch die Fähigkeit zur Ausbildung erwünschter Phasen, wie Metallcarbid- und/oder Metallcarbonitridphasen, die zu solchen mechanischen Eigenschaftsmerkmalen beitragen.
Stand der Technik
Metall-3D-Druckverfahren bieten eine Vielzahl außergewöhnlicher Vorteile wie die Möglichkeit, hochkomplexe Teile mit stark verkürzter Teilefertigungszeit herzustellen. Aus diesen Gründen ist der 3D-Druck für viele Branchen von hohem Wert. Während es viele 3D-Druckverfahren zum Aufbauen von Metallteilen gibt, sind die am weitesten verbreiteten Verfahren diejenigen, die Fest-Flüssig-Fest-Phasenumwandlungen zum Aufbauen von Teilen verwenden. Diese Vorgänge werden allgemein als Pulverbettfusion (powder bed fusion - PBF), selektives Laserschmelzen (selective laser melting - SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting - EBM) bezeichnet; im Folgenden werden diese Vorgänge als PBF bezeichnet.
Während PBF in ihrer Fähigkeit, komplexe Teile aus bestimmten Metalllegierungen herzustellen, außergewöhnlich vielseitig ist, war der Vorgang auf die Herstellung von Teilen aus relativ wenigen legierten Stählen, wie etwa 316L, 17-4PH und Maraging-Stahl M300 beschränkt. Von diesen Legierungen hat nur M300 eine Härte, die als ausreichend angesehen wird, um die Legierung als eine Hartlegierung (HV>370) zu klassifizieren.
Die Erweiterung der Materialbreite von harten PBF-Stahllegierungen hat eine Vielzahl von Problemen gelöst, darunter vor allem das Auftreten von Rissbildung beim oder nach dem Druckvorgang. Die Rissbildung von Teilen kann durch eine Reihe von Faktoren verursacht werden, wie z. B. thermische Spannungen, Heißrisse und Flüssigkeitsrisse, und im Allgemeinen nimmt die Rissgefahr zu, wenn die Härte der aufgebauten Teile zunimmt und die Zähigkeit abnimmt.
Zahlreiche Industrien haben ein großes Interesse an der Verwendung von PBF mit Materialien mit höherer Härte (HV > 370) für Anwendungen wie Werkzeuge, Matrizen, Formen, Schneidwerkzeuge, Zahnräder, Filter und Lager. Neben einer hohen Härte erfordern diese Anwendungen typischerweise auch eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, ein geringes Umweltverträglichkeits-, Sicherheits- und Verantwortungsrisiko sowie niedrige Kosten.
Kurzdarstellung
Ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Metallteils, umfassend das Bereitstellen einer Eisenbasislegierung in Partikelform, einschließlich der Elemente Cr und Mo, wobei Cr zu 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-% vorliegt, Mo zu 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% vorliegt, und mindestens drei Elemente aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N, wobei C zu 0 bis 0,35 Gew.-% vorliegt, Ni zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Cu zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Nb zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt, Si zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt und N zu 0 bis 0,25 Gew.-% vorliegt;
wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Fe enthält; und
Ausbilden einer oder mehrerer Schichten der Legierung durch Schmelzen der Legierung in einen geschmolzenen Zustand und Abkühlen und Ausbilden einer erstarrten Schicht der Elemente, wobei jede der festen Schichten eine Dicke im ausgebildeten Zustand von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern aufweist. Das eine oder mehrere Schichten umfassende metallische Teil weist folgende Eigenschaften auf: Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, Streckgrenze von mindestens 640 MPa, Dehnung von mindestens 3,0 % und Härte (HV) von mindestens 375. In der obigen Zusammensetzung kann Mn Ni ersetzen. Mn kann daher vorliegen, um Ni zu ersetzen, und in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis einschließlich 5,0 Gew.-% vorliegen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf 3D-gedrucktes Metallteil, umfassend eine oder mehrere Metalllegierungsschichten, die die Elemente Cr und Mo enthalten, wobei Cr zu 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-% vorliegt, Mo zu 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% vorliegt, und mindestens drei Elemente aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N, wobei C zu 0 bis 0,35 Gew.-% vorliegt, Ni zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Cu zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Nb zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt, Si zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt und N zu 0 bis 0,25 Gew.-% vorliegt und der Rest der Legierungszusammensetzung Fe enthält;
wobei die Schichten eine Dicke im Bereich von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern aufweisen; und
das gedruckte Metallteil eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 640 MPa, eine Dehnung von mindestens 3,0 % und eine Härte (HV) von mindestens 375 aufweist. In der obigen Zusammensetzung kann Mn wieder Ni ersetzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Metallteils, umfassend:

Bereitstellen einer Eisenbasislegierung in Partikelform, umfassend Fe zu 82,0 Gew.-% bis 86,0 Gew.-%, Cr zu 10,5 bis 12,0 Gew.-%, Ni zu 1,5 bis 2,5 Gew.-%,; Mo zu 0,8 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%, C zu 0,14 bis 0,19 Gew.-%, Nb zu 0,02 bis 0,06 Gew.-%, N zu 0,04 bis 0,09 Gew.% und Si zu 0,25 Gew.-% bis 0,75 Gew.-%; und
Ausbilden einer oder mehrerer Schichten der Legierung durch Schmelzen der Legierung in einen geschmolzenen Zustand und Abkühlen und Ausbilden einer erstarrten Schicht der Elemente, wobei jede der festen Schichten eine Dicke im ausgebildeten Zustand von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern aufweist;
wobei das Metallteil die folgenden Eigenschaften aufweist: Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, Streckgrenze von mindestens 640 MPa, Dehnung von mindestens 3,0 % und Härte (HV) von mindestens 375.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Metallteils, umfassend:

Bereitstellen von Partikeln einer Eisenbasislegierung, wobei die Eisenbasislegierung umfasst:
- Cr in einer Menge im Bereich von 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-%;
- Mo in einer Menge im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%;
- mindestens drei Elemente C, Mn, Cu, Nb, Si und N; und
- wobei der Rest der Eisenbasislegierung Fe enthält; und
- Ausbilden eines Metallteils im unbehandelten Zustand durch Pulverbettfusion, wobei die Pulverbettfusion das Schmelzen der Partikel in einen geschmolzenen Zustand und das Abkühlen und Ausbilden einer oder mehrerer erstarrter Schichten der Eisenbasislegierung umfasst;
- wobei eines der mindestens drei Elemente Mn ist, das in der Eisenbasislegierung in einer Menge im Bereich von mehr als 0 bis höchstens 5,0 Gew.-% vorliegt;
- wenn C in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,35 Gew.-% vorliegt;
- wenn Cu in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 5,0 Gew.-% vorliegt;
- wenn Nb in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 1,0 Gew.-% vorliegt;
- wenn Si in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 1,0 Gew.% vorliegt; und
- wenn N in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,25 Gew.-% vorliegt;
- jede der einen oder mehreren erstarrten Schichten im ausgebildeten Zustand eine Dicke von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern aufweist; und
- das Metallteil im unbehandelten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 640 MPa, eine Dehnung von mindestens 3,0 % und eine Härte (HV) von mindestens 375 aufweist.

Figurenliste

1 ist eine optische Abbildung von Legierung 1 (A10), aufgebaut auf der Vorrichtung SLM 280 HL.
2 ist eine optische Abbildung von Legierung 1 (A10), aufgebaut auf der Vorrichtung Trumpf TRUMAFORM LF 250 PBF.
3 ist eine optische Abbildung von Legierung 1 (A10), aufgebaut auf der Vorrichtung EOS mit einer Dichte von > 99,5 %.
4 zeigt eine 10.000-fache REM-Mikrofotografie von Legierung 1 (A10) im unbehandelten Zustand.
5 zeigt das Gleichgewichtsphasendiagramm der Legierung 1, erzeugt mit Thermo-Calc.
6 zeigt Mikrostrukturen an der Oberfläche eines Teils aus Legierung 5 (Tabelle 1) in zwei verschiedenen Vergrößerungen nach dem Aufkohlen.
7 zeigt die Härte als Funktion der Tiefe in einer aufgekohlten einsatzgehärteten Legierung 5 und Legierung 8 (Tabelle 1).
8 zeigt Mikrostrukturen an der Oberfläche eines Teils aus Legierung 9 (Tabelle 1) in zwei verschiedenen Vergrößerungen nach dem Nitrieren.
9 zeigt die Härte als Funktion der Tiefe in einer nitrierten einsatzgehärteten Legierung 8 und 9 (Tabelle 1).

Detailbeschreibung
Es ist eine neue Klasse von Stahllegierungen entwickelt worden, die hervorragende Druckbarkeit sowohl „im unbehandelten Zustand“ auch im „wärmebehandelten“ Zustand mit hoher Härte (> 375 HV), hoher Streck- und Zugfestigkeit sowie mit einem geringen Sicherheits-(EH&S) und Verantwortungsrisiko sowie mit niedrigen Kosten verbindet.
Die Druckbarkeit einer Legierung ist definiert als die Leichtigkeit des Druckens einer Metalllegierung auf einer Vielzahl von kommerziellen PBF-Maschinen ohne Risse oder übermäßige Porosität in den aufgebauten Teilen. Als unbehandelter Zustand wird hier der Zustand der mit PBF aufgebauten Teile bei Entnahme aus der PBF-Maschine verstanden, d. h. ohne Wärmebehandlung nach dem Aufbauen. Der wärmebehandelte Zustand wird hier als der Zustand der mit PBF aufgebauten Teile verstanden, die nach dem Aufbauen einer Wärmebehandlung unterzogen worden sind. Die Legierungen hierin sind geeignet zum 3D-Drucken, was sich auf einen Vorgang zum Erzeugen eines dreidimensionalen Objekts bezieht.

Die folgende Tabelle 1 zeigt die Legierungschemien, die hier vorzugsweise verwendet werden, einschließlich Legierung 1 (A10) und der 10 zusätzlichen Legierungen, um insgesamt 11 Legierungen zu ergeben: Tabelle 1 - Legierungschemie (Gew.-%)

Legierung	Fe	C	Cr	Ni	Cu	Nb	Mo	Si	N	Mn
1
(A10)	84,93	0,16	10,64	1,96	0,54	0,03	1,48	0,19	0,07	0
2	84,92	0,25	11,5	1	0,5	0,03	1,5	0,25	0,05	0
3	84,97	0,2	11,5	1	0,5	0,03	1,5	0,25	0,05	0
4	84,96	0,16	11,5	1,05	0,59	0,04	1,51	0,18	0	0
5	84,57	0,21	11,21	1,93	0,12	0,03	1,7	0,19	0,04	0
6	81,66	0,21	15,55	0,88	0,55	0,03	0,89	0,16	0,07	0
7	82,82	0,21	11,69	0,94	2,56	0,06	1,47	0,17	0,08	0
8	86,85	0,1	10,56	0	0,56	0,04	1,61	0,14	0,14	0
9	85,37	0,17	11,01	1,85	0	0,04	0,95	0,53	0,074	0
10	86,64	0,12	10,55	0	0,55	0,08	1,52	0,39	0,14	0
11	87,03	0,11	11,03	0	0	0,08	1,38	0,2	0,16	0
12	84,19	0,23	10,6	0	0,69	0,04	1,99	0,39	0,133	1,74

Dementsprechend ist aus dem Obigen ersichtlich, dass eine Metalllegierung in Partikelform bereitgestellt wird, die Folgendes umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht: Fe, Cr und Mo, wobei Cr zu 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-% vorliegt, Mo zu 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% vorliegt, und mindestens drei oder mehr Elemente(n) aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N, wobei C zu 0 bis 0,35 Gew.-% vorliegt, Ni zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Cu zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Nb zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt, Si zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt und N zu 0 bis 0,25 Gew.-% vorliegt. Der Rest der Legierungszusammensetzung enthält Fe. Dementsprechend können für jede Legierungsformulierung vier Elemente, fünf Elemente oder alle sechs Elemente aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N ausgewählt werden. Mn kann auch Ni ersetzen und kann in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird wieder eine Metalllegierung in Partikelform bereitgestellt, die Folgendes umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht: Fe, Cr und Mo, wobei Cr zu 10,0 Gew.-% bis 18,3 Gew.-% vorliegt, Mo zu 0,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% vorliegt, und mindestens drei oder mehr Elemente(n) aus C, Ni, Cu, Nb, Si und N, wobei C zu 0 bis 0,30 Gew.-% vorliegt, Ni zu 0 bis 4,0 Gew.-% vorliegt, Cu zu 0 bis 4,0 Gew.-% vorliegt, Nb zu 0 bis 0,7 Gew.-% vorliegt, Si zu 0 bis 0,7 Gew.-% vorliegt und N zu 0 bis 0,25 Gew.-% vorliegt. Der Rest der Legierungszusammensetzung enthält Fe.
Darüber hinaus kann die Legierung eine gewisse Menge an unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten, wobei der Gehalt an diesen Verunreinigungen bis zu 1,0 Gew.-% betragen kann; zum Beispiel kann auch ein zuvor nicht aufgeführtes Element in einer Menge von bis zu 1,0 Gew.-% vorliegen, wobei der entsprechende Fe-Gehalt dann um 1,0 Gew.-% reduziert werden kann. In Bezug auf Verunreinigungen ist anzumerken, dass diese Elemente wie Schwefel, Phosphor und Sauerstoff umfassen sollen.
Legierung 1, die zuvor als Legierung A10 bezeichnet wurde, kann selbst die folgende bevorzugte Zusammensetzung aufweisen: Fe zu 82,0 bis 86,0 Gew.-%, Cr zu 10,5 bis 12,0 Gew.-%,; Ni zu 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Cu zu 0,4 bis 0,7 Gew.-%, Mo zu 1,2 bis 1,8 Gew.-%, C zu 0,14 bis 0,18 Gew.-%, Nb zu 0,02 bis 0,05 Gew.-%, N zu 0,04 bis 0,07 Gew.-% und Si zu 0-1,0 Gew.-%.
Zusätzlich zu den vorherigen Angaben wurde festgestellt, dass in Bezug auf die Verwendung von jeglichem Ni in den oben erwähnten Legierungen, das, wie erwähnt, in einer Menge von 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegen kann, das Vorliegen eines solchen Ni durch Mn in einer Menge von 0 bis 5,0 Gew.-% ersetzt werden kann. Dementsprechend kann die Metalllegierung hierin in Partikelform auch Folgendes umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen: Fe, Cr, Mo, wobei Cr zu 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-% vorliegt, Mo zu 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% vorliegt, und mindestens drei oder mehr Elemente(n) aus C, Mn, Cu, Nb, Si und N, wobei C zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Mn zu 0 bis 5,0 Gew.-% vorliegt, Cu zu 0 bis 5,0 Gew.% vorliegt, Nb zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt, Si zu 0 bis 1,0 Gew.-% vorliegt und N zu 0 bis 0,25 Gew.-% vorliegt. Dementsprechend können wieder vier Elemente, fünf Elemente oder alle Größenelemente aus C, Mn, Cu, Nb, Si und N ausgewählt werden. Stärker bevorzugt kann der Mn-Gehalt im Bereich von bis zu 4,0 Gew.-% oder bis zu 3,0 Gew.-% oder im Bereich von bis zu 2,0 Gew.-% liegen. Noch stärker bevorzugt kann der Mn-Gehalt im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% liegen.
Darüber hinaus hat sich auch herausgestellt, dass Legierung 9 in der oben genannten Tabelle 1 hierin besonderen Nutzen hat. Dementsprechend wird ferner in Betracht gezogen, dass hierin eine Metalllegierung in Partikelform verwenden werden kann, die Folgendes umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht: Fe zu 82,0 Gew.-% bis 86,0 Gew.-%, Cr zu 10,5 bis 12,0 Gew.-%, Ni zu 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Mo zu 0,8 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%, C zu 0,14 bis 0,19 Gew.-%, Nb zu 0,02 bis 0,06 Gew.-%, N zu 0,04 bis 0,09 Gew.% und Si zu 0,25-0,75 Gew.-%. Wie ersichtlich ist, enthält eine solche Legierung vorzugsweise kein Cu oder Mn.
Die Metalllegierung wird dem PBF-Verfahren in Pulverteilchen- oder Drahtform zugeführt und wird vorzugsweise unter Verwendung von konventionellem Schmelzen mit Gas, Zentrifuge, Zerstäubung unter Verwendung von Gasen wie Stickstoff oder Argongas oder Wasserzerstäubung hergestellt. Das Schmelzen und Zerstäuben mit Stickstoffgas kann verwendet werden, um den Stickstoffgehalt in der Pulverlegierung zu erhöhen. Die Pulverteilchen können einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 200 Mikrometern, stärker bevorzugt von 3 bis 70 Mikrometern und am stärksten bevorzugt von 15 bis 53 Mikrometern aufweisen.
PBF-Teile werden vorzugsweise aus der Metalllegierung hierin unter Verwendung kommerziell erhältlicher konventioneller PBF-Maschinen wie SLM®280HL, EOS M-280 oder Trumpf TRUMAFORM LF 250 erzeugt. Die Teile werden vorzugsweise in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre aufgebaut. Teile können auf einem Metallsubstrat aufgebaut werden, das auf bis zu 300 °C vorgewärmt ist, z. B. im Bereich von 100 °C bis 300 °C und stärker bevorzugt im Bereich von 20 °C bis 200 °C. Darüber hinaus kann auch keine Vorwärmung des Substrats vorgenommen werden. Für das PBF-Verfahren hierin können ein oder mehrere Laser oder Elektronenstrahlen mit einer Energiedichte von 30 bis 500 J/m³, stärker bevorzugt im Bereich von 50 J/mm³ bis 300 J/m³ und am stärksten bevorzugt im Bereich von 60 J/mm³ bis 200 J/mm³ eingesetzt werden.
Das Metallsubstrat besteht vorzugsweise aus den Legierungen 1-11 in Tabelle 1 oder aus anderen Materialien, z. B. aus Rostfrei-Stahl des Typs 304L. Das PBF-Verfahren hierin sieht einen Aufbau einzelner Schichten vor, die jeweils eine Dicke aufweisen, die typischerweise im Bereich von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern liegt, stärker bevorzugt 5,0 Mikrometern bis 150,0 Mikrometern und am stärksten bevorzugt 5,0 Mikrometern bis 120,0 Mikrometern. Dementsprechend beträgt ein geeigneter Dickenbereich für die aufgebauten Schichten mindestens 2,0 Mikrometer. Häufiger jedoch liegt der Dickenbereich für die aufgebauten Schichten (Kombination einzelner Schichten) bei von 2 Mikrometern bis 800 mm und sogar noch mehr, je nach Fähigkeit oder Anforderungen eines entsprechenden Druckverfahrens.
Porosität und Rissbildung in Teilen können eine Reihe von Eigenschaften der Teile, einschließlich Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, negativ beeinflussen. Daher ist es für dichte Teile erwünscht, Porosität und Rissbildung in PBF-Teilen zu minimieren. Die Porosität in Teilen beträgt vorzugsweise weniger als 1,0 %, stärker bevorzugt weniger als 0,5 % und am stärksten bevorzugt weniger als 0,2 %, obwohl einige große Teile höhere Porositätswerte tolerieren können, wie beispielsweise eine Porosität von mehr als 1,0 % bis 15,0 %. Niedrige Porosität und keine Rissbildung in den PBF-Teilen im unbehandelten Zustand mit den Metalllegierungen hierin wird nachgewiesen in den in den 1-3 gezeigten optischen Mikrofotografien, die von Teilen aufgenommen wurden, welche mit Legierung 1 (A10) auf den Vorrichtungen SLM 280HL und Trumpf TRUMAFORM LF 250 PBF bzw. EOS M280/290 aufgebaut wurden. Die in den 1-3 gezeigten Teile wurden auf einem Substrat ohne Vorwärmen auf eine Höhe von 10 mm mit 0,040 mm dicken Schichten aufgebaut, was insgesamt 250 Schichten in den Teilen ergibt. Die Porosität wird mit optischer Bildanalyse bei 100-facher Vergrößerung gemessen und Legierung 1 zeigt eine Porosität von weniger als 0,2 %.
PBF-Teile werden vorzugsweise wärmebehandelt, nachdem die Teile aufgebaut wurden, um eine relativ hohe Härte, Festigkeit und Verformbarkeit zu erreichen. Die Erzielung einer hohen Härte vor Ort bei Bauteilen ohne Rissbildung ist aufgrund der thermischen Spannungen und der thermischen Ermüdung in den Teilen während des Aufbaus in Kombination mit der typischerweise geringen Zähigkeit und Verformbarkeit von Legierungen mit hoher Härte relativ schwierig. PBF erzeugt mit einer Energiequelle ein kleines, schnell durchlaufendes Schmelzbad, um das Pulver selektiv zu einer Pulverschicht aufzuschmelzen, die sich beim Hinzufügen der nächsten Schicht im Teil dann wieder verfestigt. Die Wärme des durchlaufenden Schmelzbades wird weitgehend in das Teil geleitet, was zu einer Erhöhung der Gesamtteiltemperatur und zu relativ großen Temperaturgradienten in der Nähe des Schmelzbades führt. Aufgrund der thermischen Gradienten und Phasenumwandlungen in den Teilen können während des Aufbaus des PBF-Teils große kontinuierliche und zyklische thermische Spannungen in Teilen auftreten. Teile weisen daher vorzugsweise eine ausreichende Festigkeit, Zähigkeit und Verformbarkeit auf, um der Rissbildung unter den Bedingungen der lokalisierten Belastung und der Rissausbreitung unter den kontinuierlichen und zyklischen Belastungen zu widerstehen.
Legierungseigenschaften „im unbehandelten Zustand“: Tabelle 2 zeigt vergleichende mechanische Eigenschaften von PBF-Teilen, die mit handelsüblichen PBF-Stahllegierungen und Legierung 1 (A10) aus Tabelle 1 im unbehandelten Zustand (ohne Wärmenachbehandlung) hergestellt wurden. Die Eigenschaften der Legierung 1 (A10) wurden an Teilen gemessen, die mit PBF unter Verwendung von 0,040 mm dicken Schichten für insgesamt 250 Schichten in den Teilen auf einem Substrat ohne Vorwärmen auf eine Höhe von 10 mm aufgebaut wurden. Tabelle 2 zeigt die erhöhte Härte und Festigkeit der Metalllegierung hier gegenüber den kommerziell angewendeten rissfreien Stahllegierungen. Tabelle 2

Legierung Zugfestigkeit [MPa] Streckgrenze [MPa] Dehnung [%] Härte [HV]

316L 640 530 40 171

17-4PH 930 586 25 230

M300 1100 1050 10 332

Legierung 1 (A10) 1504 1254 17 454
Hinsichtlich der Härtedaten in Tabelle 2 ist anzumerken, dass die angegebene Härte derart ist, dass sie als eine Funktion der Legierungszusammensetzung sowie des verwendeten Druckverfahrens angesehen wird. Dementsprechend kann beispielsweise bei M300 die Druckhärte je nach Druckverfahren variieren, sodass die HV-Härte im Bereich von 320 bis 370 liegen kann.

Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt die mechanischen Eigenschaften für alle in Tabelle 1 identifizierten Legierungen im Zustand „AB“ (im unbehandelten Zustand), ohne Wärmebehandlung und im Zustand „B1“, der sich auf eine Wärmebehandlung bezieht, wobei die genaue Wärmebehandlung hier weiter erörtert wird: Tabelle 3

Legierung	Testbedingung	Härte (HV)	Streckgrenze (MPa)	Zugfestigkeit (MPa)	Dehnung (%)
1	AB	454	1254	1504	17
(A10)	B1	502	1325	1659	16
4	AB	450	1048	1082	3
4	B1	491	995	1011	1
5	AB	531	1207	1659	19
5	B1	556	1338	1785	10
6	AB	381	649	1422	19
6	B1	519	1329	1631	12
7	AB	415	1003	1538	20
7	B1	574	1571	1880	6
8	AB	455	1041	1274	8
8	B1	561	1345	1629	13
9	AB	474	1274	1552	15
9	B1	531	1337	1676	14
10	AB	438	979	1191	7
10	B1	564	1368	1637	10
11	AB	501	1090	1365	7
11	B1	563	1438	1621	5

Wie daher aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, sind die Legierungen hierin im unbehandelten Zustand (ohne Wärmebehandlung) derart, dass sie eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, stärker bevorzugt mindestens 1100 MPa, oder mindestens 1200 MPa und noch stärker bevorzugt mindestens 1300 MPa aufweisen. Darüber hinaus ist nun ersichtlich, dass die Zugfestigkeit der Legierungen im unbehandelten Zustand hierin in den Bereich von 1000 MPa bis 1900 MPa oder 1100 MPa bis 1900 MPa oder 1200 MPa bis 1900 MPa oder 1300 MPa bis 1900 MPa fällt.
Die obige Zugfestigkeit wird in Kombination mit einer Streckgrenze von mindestens 640 MPa oder mindestens 700 MPa oder mindestens 800 MPa oder mindestens 900 MPa oder mindestens 1000 MPa oder mindestens 1100 MPa oder mindestens 1200 MPa oder mindestens 1300 MPa oder mindestens 1400 MPa oder mindestens 1500 MPa erreicht. Darüber hinaus ist nun ersichtlich, dass die Streckgrenze der Legierungen im unbehandelten Zustand hierin in den Bereich von 640 MPa bis 1500 MPa fällt.
Darüber hinaus wird die obige Zugfestigkeit und Streckgrenze auch vorzugsweise in Kombination mit einer Dehnung von mindestens 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 11 % usw. bis zu 25 % erreicht. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die Dehnung der unbehandelten Legierungen hier in den Bereich von 3 % bis 25 % fällt.
Die obige Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung wird dann vorzugsweise in Kombination mit einem Härtewert (HV) von mindestens 375, 400, 410, 420, 430, 440 usw. bis zu 600 erreicht. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die HV-Werte der Legierungen hier in den Bereich von 375 bis 600 fallen. Es ist erwähnenswert, dass die Legierung 12 hierin einen HV-Wert von 420-600 aufwies.
Dementsprechend ist ersichtlich, dass die Legierungen hierin derart sind, dass sie im unbehandelten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 640 MPa und eine Dehnung von mindestens 3 % und einen Härte(HV)-Wert von mindestens 375 aufweisen. Andere Kombinationen von Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte können nun aus den einzelnen bevorzugten Pegeln von Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte ausgewählt werden, die hier für die nicht wärmebehandelte Legierung angegeben sind.
4 zeigt eine 10.000-fache Sekundärelektronen-Rasterelektronenmikroskopie(REM)-Mikrofotografie eines mit PBF erzeugten Teils im unbehandelten Zustand aus Legierung 1 (A10). Das in 4 gezeigte Teil wurde auf einem Substrat ohne Vorwärmen auf eine Höhe von 10 mm mit 0,040 mm dicken Schichten aufgebaut, was insgesamt 250 Schichten in den Teilen ergibt. Die REM-Bildgebung wurde auf einem Jeol JSM-7001F Field Emission REM durchgeführt. Für die Mikrostruktur in 4 wird in Betracht gezogen, dass sie BCC/Martensit, FCC, M₂CN und M₇C₃ enthält.
5 zeigt das mit Thermo-Calc erzeugte Gleichgewichtsphasendiagramm von Legierung 1 (A10), das den Phasenanteil jeder Phase zeigt, die über einen Temperaturbereich von 20 °C bis 1500 °C thermodynamisch stabil ist. Das Gleichgewichtsphasendiagramm wurde verwendet, um die Phasen zu identifizieren, die das höchste Potenzial haben, zur Erhöhung der Härte und Festigkeit beizutragen.
Es wird in Betracht gezogen, dass die erhöhte Temperatur von PBF-Teilen während des Aufbauens, die durch die Wärmeübertragung von dem durchlaufenden Schmelzbad auf das Teil verursacht wird, in den Metalllegierungen hierin ausreichend hoch sein kann, um die Ausscheidung von Sekundärphasen in-situ, wie der Cu-reichen FCC-Phase, der M₂N((Cr,Mo)₂N)-Phase und der M₂₃C₆((Cr,Fe,Mo)₂₃C₆)-Phase anzutreiben, die in dem Phasen-Diagramm für Legierung 1 (A10) in 5 dargestellt sind. Es wird erwartet, dass die Ausscheidung dieser Phasen in-situ während des Teileaufbaus zur Festigkeit und Härte des Teils im Bauzustand beiträgt.
„Wärmebehandlung“: Mit den Metalllegierungen hierin hergestellte PBF-Teile können durch Wärmebehandlung weiter verbessert werden, um die Festigkeit und Härte der Teile zu erhöhen. Es wird in Betracht gezogen, dass verschiedene Wärmebehandlungen durchgeführt werden können, um die Teileeigenschaften zu beeinflussen, und die Wärmebehandlungstemperaturen können aus Gleichgewichtsphasendiagrammen ausgewählt werden.
Wirksame Wärmebehandlungen für die Metalllegierungen hierin sollen Folgendes einschließen: (1) Hochtemperatur-Lösungsglühen (Auflösen einer oder mehrerer der Sekundärphasen), Abschrecken und Anlassen (Ausfällen der Sekundärphasen) und/oder (2) Anlassen des Teils im unbehandelten Zustand, wobei jeder Wärmebehandlungsschritt in einer Vakuum-, Argon- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Das Lösungsglühen wird vorzugsweise bei einer Temperatur von mehr als 900 °C und beispielsweise im Bereich von 900 °C bis 1400 °C durchgeführt und das Anlassen wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 150-900 °C durchgeführt.

(1) Der Lösungs- und Abschreckschritt bei hoher Temperatur wird in Betracht gezogen, zum:
1. a. Verringern der Anisotropie in dem Teil, das aus dem PBF-Vorgang resultieren kann,
2. b. Erhöhen des Martensitgehalts und damit der Härte und ggf. der Festigkeit,
3. c. Auflösen von Cr-Carbiden und/oder Cr-Nitriden, die die Korrosionsbeständigkeit des Teils negativ beeinflussen können,
4. d. Vergröbern der ungelösten Carbide und/oder Nitride.
(2) Eine weitere Verfestigung und Härtung des Teils durch zusätzliches Ausscheiden verschiedener Phasen soll durch nachfolgende Anlassbehandlungen eingeleitet werden.

„Wärmebehandlungs“-Vorgang: Das Gleichgewichtsphasendiagramm in 5 wurde verwendet, um Lösungs- und Anlasstemperaturen für PBF-Teile aus Legierung 1 (A10) auszuwählen. Die bei den PBF-Teilen aus Legierung 1 (A10) verwendete Wärmebehandlung bestand aus einem Lösungsglühen bei 1000 °C über 1,5 Stunden, gefolgt von einer Gasabschreckung auf -84 °C über 2 Stunden und schließlich einem Anlassen bei 454 °C über 48 Stunden in Argon, um das Teil zu verstärken und zu härten.
„Wärmebehandlungs“-Legierungseigenschaften: Die Eigenschaften der wärmebehandelten Teile aus PBF-Legierung 1 (A10) sind aufgeführt in Tabelle 4 zusammen mit handelsüblichen PBF-Stahllegierungen, nachdem diese ihren vom Hersteller vorgeschriebenen Wärmebehandlungen für PBF-Teile unterzogen wurden. Die Eigenschaften der wärmebehandelten Legierungen 1, 4, 5, 6, 7, 9, 0, 10 und 11 sind ebenfalls in Tabelle 3 aufgeführt. Die Eigenschaften der Legierung 1 (A10) wurden an wärmebehandelten Teilen gemessen, die mit PBF unter Verwendung von 0,040 mm dicken Schichten für insgesamt 250 Schichten in den Teilen auf einem Substrat ohne Vorwärmen auf eine Höhe von 10 mm aufgebaut wurden. Die in Tabelle 4 gezeigte Härte der Legierung 1 (A10) wurde an der Oberfläche des wärmebehandelten Teils gemessen. Tabelle 4

Legierung Zugfestigkeit [MPa] Streckgrenze [MPa] Dehnung [%] Härte [HV]

316L 843 587 28 262

17-4PH 1100 590 29 311

M300 2050 1990 2 544

Legierung 1 (A10) 1659 1325 16 502
Wie daher aus den Tabellen 3 und 4 ersichtlich ist, sind die Legierungen hierin nach der Wärmebehandlung derart, dass sie eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa oder mindestens 1100 MPa oder mindestens 1200 MPa oder mindestens 1300 MPa oder mindestens 1400 MPa oder mindestens 1500 MPa oder mindestens 1600 MPa oder mindestens 1700 MPa oder mindestens 1800 MPa aufweisen. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die wärmebehandelten Legierungen eine Zugfestigkeit im Bereich von 1000 MPa bis 1900 MPa aufweisen.
Diese Zugfestigkeit wird in Kombination mit einer Streckgrenze von mindestens 900 MPa oder mindestens 1000 MPa oder mindestens 1100 MPa oder mindestens 1200 MPa oder mindestens 1300 MPa oder mindestens 1400 MPa oder mindestens 1500 MPa oder mindestens 1600 MPa erreicht. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die wärmebehandelten Legierungen hierin eine Streckgrenze im Bereich von 900 MPa bis 1600 MPa aufweisen.
Diese Zugfestigkeit und diese Streckgrenze werden auch vorzugsweise in Kombination mit einer Dehnung von mindestens 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 % usw. bis zu 16 % erreicht. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die wärmebehandelten Legierungen hierin Dehnungswerte im Bereich von 1 % bis 16 % aufweisen.
Diese Zugfestigkeit, diese Streckgrenze und diese Dehnung werden dann vorzugsweise in Kombination mit einem Härtewert (HV) von mindestens 475 oder mindestens 500 oder mindestens 525 oder mindestens 550 oder mindestens 600 erreicht. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die wärmebehandelten Legierungen hierin HV-Werte im Bereich von 475 bis 650 aufweisen.
Dementsprechend ist ersichtlich, dass die Legierungen mit Wärmebehandlung hierin derart sind, dass sie z. B. eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 900 MPa und eine Dehnung von mindestens 1 % und einen Härte(HV)-Wert von mindestens 475 aufweisen. Andere Kombinationen von Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte können nun aus den einzelnen bevorzugten Pegeln von Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte ausgewählt werden, die hier für die wärmebehandelte Legierung angegeben sind.
Tabelle 4 zeigt, dass die Wärmebehandlung die Härte von 316L und 17-4PH nicht auf einen so hohen Pegel anhebt, dass die Legierungen als harte Legierung (HV > 370) klassifiziert werden könnten. Nur der Härtewert von M-300 nach der Wärmebehandlung klassifiziert die Legierung als Hartlegierung (HV>370) und M300 ist derzeit die primäre Legierungswahl in der additiven Fertigung, wenn eine Hartlegierung erforderlich ist. Der Anwendungsbereich von M-300 ist jedoch stark begrenzt, da die Merkmale von M300 bei diesen Härtegraden nur eine geringe Dehnung (2 %) aufweisen, was auf eine Neigung von Teilen zum Brechen oder Absplittern hindeutet, wenn sie selbst geringen Aufprallkräften wie beim Fallenlassen eines Teils auf den Boden ausgesetzt sind. Daher wird M300 nur relativ begrenzt industriell angewendet. Darüber hinaus enthält die M300-Legierung eine signifikante Konzentration relativ teurer Elemente (18 Gew.-% Ni, 9 Gew.-% Co und 5 Gew.-% Mo) und würde daher nicht als kostengünstige Legierung angesehen, was ihre industrielle Verwendung weiter einschränkt. Schließlich wird die industrielle Verwendung von M-300 aufgrund potenzieller EH&S- und Produktverantwortungsrisiken aufgrund des hohen Kobaltgehalts weiter eingeschränkt. Kobalt ist als Gesundheitsrisiko beim Einatmen und aufgrund seiner Einstufung als Konfliktmineral als Verantwortungsrisiko bekannt, da es hauptsächlich aus der Republik Kongo stammt.
Im Gegensatz dazu bietet die wärmebehandelte Legierung 1 (A10) zahlreiche Vorteile gegenüber dem derzeitig etablierten M300. Legierung 1 (A10) hat eine höhere Härte, eine höhere Dehnung, eine kostengünstigere Struktur und ist vorzugsweise kobaltfrei.
Einsatzhärtungsbehandlung - Die Oberflächenhärte von PBF-Teilen, die mit den hierin beschriebenen Metalllegierungen hergestellt werden, kann durch Einsatzhärtungsbehandlungen durch Aufkohlen und Nitrieren weiter verbessert werden. Diese Behandlungen führen Kohlenstoff bzw. Stickstoff in die Oberfläche des Teils ein, wodurch eine Randschicht mit erhöhter Härte im Vergleich zu dem „unbehandelten“ oder dem „wärmebehandelten“ Zustand erzeugt wird, während die wärmebehandelten Eigenschaften im Kern beibehalten werden. Es wird in Betracht gezogen, dass auch andere Behandlungen, die zum Einsatzhärten verwendet werden, verwendet werden können, wie etwa Karbonitrieren.
Aufkohlen - Der Aufkohlungsvorgang für die Metalllegierungen hierin schließt vorzugsweise eine Kombination der folgenden Schritte ein: Oxidreduktion, Aufkohlen, Lösungsglühen, Abschrecken und Anlassen. Die Oxidreduktion wird in einer reduzierenden Atmosphäre bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 800 °C und 1200 °C, stärker bevorzugt zwischen 900 °C und 1150 °C und am stärksten bevorzugt zwischen 950 °C und 1100 °C durchgeführt. Das Aufkohlen wird durch ein Verfahren durchgeführt, das eine Kohlenstoffquelle in der Atmosphäre oder Umgebung des Teils bereitstellt oder erzeugt, wie etwa Pack-, Gas-, Vakuum-, Flüssigkeits- oder Plasmaaufkohlung, bei Temperaturen vorzugsweise zwischen 800 °C und 1000 °C, stärker bevorzugt zwischen 850 °C und 975 °C und am stärksten bevorzugt zwischen 875 °C und 950 °C.
Die Aufkohlung führt zu einer Anreicherung von Kohlenstoff an der Oberfläche des Teils, was zu einer Materialschicht mit einer anderen Mikrostruktur im Vergleich zu der des Kerns führt, wie in zwei verschiedenen Vergrößerungen in 6 für Legierung 5 zu sehen ist. Diese Struktur führt zu einer maximalen Härte an der Außenoberfläche, die vorzugsweise 650 bis 1000 HV, stärker bevorzugt 700 bis 975 HV und am stärksten bevorzugt 800 bis 950 HV beträgt. Die Härte nimmt dann mit zunehmendem Abstand von der Außenfläche (d. h. Tiefe in das Teil hinein) fortschreitend ab, bis sie im Kern einen stationären Wert erreicht, der den hier erörterten wärmebehandelten Werten ähnlich ist. Repräsentative Beispiele der Härte als Funktion der Tiefe in aufgekohlten einsatzgehärteten Legierungen 5 und 8 sind in 7 zu sehen. Andere hier aufgeführte Legierungen können in ähnlicher Weise durch einen Aufkohlvorgang mit ähnlicher Wirksamkeit einsatzgehärtet werden. Der Kohlenstoffgehalt kann an der Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 2,0 mm und bis zu 4,0 mm erhöht werden.
Nitrieren - Der Nitriervorgang für die Metalllegierungen hierin schließt eine Kombination der folgenden Schritte ein: Lösungsglühen, Abschrecken und Anlassen. Es wird in Betracht gezogen, dass der Stickstoff durch andere Nitrierverfahren, einschließlich Plasma- und Flüssignitrierverfahren, in die Oberfläche des Teils eingebracht werden kann. Die Anreicherung von Stickstoff an der Oberfläche des Teils führt zu einer Materialschicht mit einer anderen Mikrostruktur im Vergleich zu der des Kerns, wie in zwei verschiedenen Vergrößerungen für Legierung 9 (Tabelle 1) in 8 veranschaulicht ist. Diese Struktur führt zu einer maximalen Härte an der Außenoberfläche, die vorzugsweise 700 bis 1300 HV, stärker bevorzugt 750 bis 1250 HV und am stärksten bevorzugt 825 bis 1225 HV beträgt. Die Härte nimmt dann mit zunehmendem Abstand von der Außenfläche (d. h. Tiefe in das Teil) fortschreitend ab, bis sie im Kern einen stationären Wert erreicht, der den hier erörterten wärmebehandelten Werten ähnlich ist. Repräsentative Beispiele der Härte als Funktion der Tiefe in nitrierten einsatzgehärteten Legierungen 8 und 9 sind in 9 zu sehen. Wie zu sehen ist, wird der Stickstoffgehalt von der Oberfläche bis in eine Tiefe von mindestens 200 µm und bis zu 400 µm erhöht. Andere hier aufgeführte Legierungen können in ähnlicher Weise durch einen Nitriervorgang mit ähnlicher Wirksamkeit einsatzgehärtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16/393194 [0001]
US 15/800210 [0001]
US 62/415667 [0001]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Metallteils, umfassend: Bereitstellen von Partikeln einer Eisenbasislegierung, wobei die Eisenbasislegierung umfasst: Cr in einer Menge im Bereich von 10,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-%; Mo in einer Menge im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%; mindestens drei der Elemente C, Mn, Cu, Nb, Si und N; und wobei der Rest der Eisenbasislegierung Fe enthält; und Ausbilden eines Metallteils im unbehandelten Zustand durch Pulverbettfusion, wobei die Pulverbettfusion das Schmelzen der Partikel in einen geschmolzenen Zustand und das Abkühlen und Ausbilden einer oder mehrerer erstarrter Schichten der Eisenbasislegierung umfasst; wobei: eines der mindestens drei Elemente Mn ist, das in der Eisenbasislegierung in einer Menge im Bereich von mehr als 0 bis höchstens 5,0 Gew.-% vorliegt; wenn C in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,35 Gew.% vorliegt; wenn Cu in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 5,0 Gew.% vorliegt; wenn Nb in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 1,0 Gew.% vorliegt; wenn Si in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 1,0 Gew.% vorliegt; und wenn N in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,25 Gew.% vorliegt; jede der einen oder mehreren erstarrten Schichten im ausgebildeten Zustand eine Dicke von 2,0 Mikrometern bis 200,0 Mikrometern aufweist; und das Metallteil im unbehandelten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 640 MPa, eine Dehnung von mindestens 3,0 % und eine Härte (HV) von mindestens 375 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: Cr in der Eisenbasislegierung in einer Menge im Bereich von 10,0 Gew.-% bis 18,3 Gew.-% vorliegt; Mo in der Eisenbasislegierung in einer Menge im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.% vorliegt; Mn in einer Menge von mehr als 0 bis 4,0 Gew.-% vorliegt; wenn C in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,30 Gew.% vorliegt; wenn Cu in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 4,0 Gew.% vorliegt; wenn Nb in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,7 Gew.% vorliegt; wenn Si in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,7 Gew.% vorliegt; und wenn N in der Eisenbasislegierung vorliegt, es in einer Menge von höchstens 0,25 Gew.% vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallteil im unbehandelten Zustand eine Zugfestigkeit von 1000 MPa bis 1900 MPa, eine Streckgrenze von 640 MPa bis 1500 MPa, eine Dehnung von 3,0 % bis 25,0 % und eine Härte (HV) von 375 bis 600 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der einen oder der mehreren Schichten eine Dicke von 5,0 Mikrometern bis 120,0 Mikrometern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmelzen der Partikel mit einem oder mehreren Laser- oder Elektronenstrahlen mit einer Energiedichte im Bereich von 30 J/mm³ bis 500 J/mm³ durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des Metallteils im unbehandelten Zustand in einer Stickstoff- und/oder Argonatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des Metallteils im unbehandelten Zustand das Ausbilden der einen oder der mehreren erstarrten Schichten auf einem Substrat umfasst, das auf eine Temperatur von höchstens 300 °C vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erwärmen des Metallteils im unbehandelten Zustand auf eine Temperatur von mehr als 900 °C, gefolgt von einem Abschrecken mit Gas und einem Abkühlen, um ein lösungsgeglühtes Metallteil auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Anlassen des lösungsgeglühten Metallteils bei einer Temperatur von 150 °C oder darüber, um ein angelassenes Metallteil auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das angelassene Metallteil eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa, eine Streckgrenze von mindestens 900 MPa, eine Dehnung von mindestens 1,0 % und eine Härte (HV) von mindestens 475 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das angelassene Metallteil eine Oberfläche aufweist und das Verfahren ferner das Aufkohlen des angelassenen Metallteils umfasst, um einen Kohlenstoffgehalt von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 4,0 mm zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das angelassene Metallteil eine Oberfläche aufweist und das Verfahren ferner das Nitrieren des angelassenen Metallteils umfasst, um einen Stickstoffgehalt von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 400 µm zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens vier Elemente enthält, ausgewählt aus C, Mn, Cu, Nb, Si und N, wobei eines der mindestens vier Elemente Mn ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens fünf Elemente enthält, ausgewählt aus C, Mn, Cu, Nb, Si und N, wobei eines der mindestens fünf Elemente Mn ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung C, Mn, Cu, Nb, Si und N enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung umfasst: Fe in einer Menge im Bereich von 82,0 bis 86,0 Gew.-%; Cr in einer Menge im Bereich von 10,5 bis 12,0 Gew.-%; Mn in einer Menge im Bereich von 1,5 bis 2,5 Gew.-%; Mo in einer Menge im Bereich von 0,8 bis 1,1 Gew.-%; C in einer Menge im Bereich von 0,14 bis 0,19 Gew.-%; Nb in einer Menge im Bereich von 0,02 bis 0,06 Gew.-%; N in einer Menge im Bereich von 0,04 bis 0,09 Gew.-%; und Si in einer Menge im Bereich von 0,25 Gew.-% bis 0,75 Gew.-%.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,14 Gew.-% Si umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,1 Gew.-% C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,88 Gew.-% Ni umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,12 Gew.-% Cu umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,03 Gew.-% Nb umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung mindestens 0,074 Gew.-% N umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung umfasst: mindestens 0,14 Gew.-% Si; mindestens 0,1 Gew.-% C; und mindestens 0,04 Gew.-% Nb.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisenbasislegierung ferner bis zu 1,0 Gew.-% unvermeidliche Verunreinigungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Metallteil im unbehandelten Zustand rissfrei ist.