Superlegierung 3D-Druck: Nickelbasislegierungen für extreme Temperaturen

Im Heißbereich einer Gasturbine herrschen Temperaturen von weit über 1.000 °C. Gleichzeitig wirken Fliehkräfte, Vibrationen und aggressive Verbrennungsgase auf jedes Bauteil. Herkömmlicher Stahl verliert unter diesen Bedingungen schnell an Festigkeit. Aluminium wäre längst geschmolzen. Für solche Bedingungen braucht die Industrie besondere Materialien. Genau hier kommen Superlegierungen ins Spiel.

Diese Werkstoffe halten Belastungen stand, an denen andere Metalle scheitern. Ihre Stärke hat allerdings einen Preis. Superlegierungen lassen sich konventionell nur mit hohem Aufwand zerspanen. Komplexe Kühlkanäle und filigrane Geometrien stoßen schnell an technische Grenzen.

Der 3D-Druck von Metall verändert diese Ausgangslage grundlegend. Im LPBF-Verfahren entstehen Bauteile direkt aus dem Metallpulver, Schicht für Schicht. Das spart Material, Zeit und Montageschritte. In diesem Beitrag erfahren Sie, welche Superlegierungen sich für die additive Fertigung eignen. Sie lesen außerdem, welche Herausforderungen der Prozess mit sich bringt. Und Sie sehen, wie die passende Wärmebehandlung reproduzierbare Ergebnisse sichert. Praxisbeispiele aus Energietechnik und Raumfahrt zeigen, was heute schon möglich ist.

Was sind Superlegierungen?

Superlegierungen sind metallische Hochleistungswerkstoffe für Hochtemperaturanwendungen. Sie behalten ihre Festigkeit auch dann, wenn die Betriebstemperatur mehr als die Hälfte ihrer Schmelztemperatur erreicht. Fachleute unterscheiden drei Gruppen: Superlegierungen auf Nickelbasis, auf Kobaltbasis und auf Eisen-Nickel-Basis. In der industriellen Praxis dominieren klar die Nickelbasislegierungen.

Der Schlüssel zu ihren Eigenschaften liegt im Gefüge. Viele Nickellegierungen bilden bei der Wärmebehandlung feine Ausscheidungen. Bei Waspaloy ist das die sogenannte Gamma-Strich-Phase (γ‘). Bei Inconel 718 übernimmt vor allem die Gamma-Zwei-Strich-Phase (γ“) diese Aufgabe. Die Teilchen blockieren die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter. So entsteht eine hohe Hochtemperaturfestigkeit mit sehr gutem Kriechverhalten.

Chrom und Aluminium in der Legierung bilden zusätzlich dichte Oxidschichten an der Oberfläche. Diese Schichten sorgen für Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit in heißen, aggressiven Medien. Die Kombination aus Hitzebeständigkeit, Festigkeit und chemischer Stabilität macht Superlegierungen unverzichtbar. Typische Einsatzorte sind Turbinenschaufeln, Brennkammern, Abgassysteme und Raketentriebwerke.

Warum Superlegierungen und 3D-Druck gut zusammenpassen

Superlegierungen gelten als schwer zerspanbar. Die hohe Warmfestigkeit, die im Einsatz gewünscht ist, wird beim Fräsen zum Problem. Werkzeuge verschleißen schnell, die Schnittgeschwindigkeiten bleiben niedrig. Bei komplexen Bauteilen landet zudem ein großer Teil des teuren Rohmaterials als Span im Container.

Die additive Fertigung kehrt dieses Verhältnis um. Beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF), auch Selektives Laserschmelzen genannt, schmilzt ein Laser das Metallpulver gezielt auf. Material entsteht nur dort, wo das Bauteil es tatsächlich braucht. Der Prozess läuft unter Argon als Schutzgas ab. So entstehen dichte Bauteile mit nahezu beliebiger Geometrie. Innenliegende Kühlkanäle, Gitterstrukturen und integrierte Funktionen lassen sich in einem einzigen Bauteil vereinen.

Ein Praxisbeispiel zeigt den Nutzen. Gemeinsam mit MAN Energy Solutions entwickelte Rosswag Engineering Leitschaufelsegmente für die Gasturbine MGT6100. Das Team fasste 13 Einzelteile zu einer Baugruppe aus einer Nickelbasislegierung zusammen. Verbindungsstellen als mögliche Schwachpunkte entfielen komplett. Die Montage wurde einfacher und die Zuverlässigkeit stieg. Das Projekt bildet heute die Basis für eine effiziente Serienfertigung.

Superlegierungen für LPBF im Überblick

Nicht jede Superlegierung lässt sich gleich gut drucken. Entscheidend ist vor allem die Schweißeignung des Werkstoffs. Die folgende Übersicht zeigt Nickelbasislegierungen aus dem Nickel 3D-Druck Portfolio von Rosswag Engineering. Der Qualifizierungsgrad zeigt, wie weit ein Werkstoff in Richtung Serie entwickelt ist.

Inconel 718 ist das Arbeitspferd unter den druckbaren Superlegierungen. Der Werkstoff ist gut schweißbar und verzeiht Prozessschwankungen. Über eine gezielte Wärmebehandlung lassen sich die mechanischen Eigenschaften präzise steuern. Deshalb findet er breiten Einsatz in Turbinen und in der Raumfahrtindustrie.

Inconel 625 punktet vor allem mit seiner Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen Medien. Hastelloy X zeigt eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit und eignet sich für Brennkammern. Waspaloy bietet noch höhere Temperaturreserven, ist im LPBF-Prozess aber anspruchsvoller. ABD®-900 AM wurde gezielt für das Pulverbettschmelzen entwickelt. Die Legierung verbindet hohe Zeitstandfestigkeit mit hoher Rissbeständigkeit während Fertigung und Wärmebehandlung.

Superlegierungen im Vergleich zu Titan, Aluminium und Edelstahl

Nicht jedes Bauteil braucht eine Superlegierung. Die Werkstoffwahl hängt von Temperatur, Last, Medium und Gewicht ab. Die Tabelle gibt eine grobe Orientierung. Die Werte sind typische Richtwerte und ersetzen kein Datenblatt.

Ein einfaches Beispiel macht den Unterschied greifbar. Ein Halter in einer Satellitenstruktur profitiert von Titan oder Aluminium. Hier zählt jedes Gramm, die Temperaturen bleiben moderat. Eine Einspritzdüse im Raketentriebwerk dagegen braucht eine Nickelbasislegierung. Dort treffen extreme Hitze, Druck und Oxidation gleichzeitig aufeinander. Für Anwendungen dazwischen reicht oft ein hitzebeständiger Edelstahl wie 1.4828. Er ist bis etwa 1.000 °C zunderbeständig, erreicht aber nicht die Festigkeit einer Superlegierung.

Herausforderungen im Druckprozess

Die Eigenschaften, die Superlegierungen im Einsatz so wertvoll machen, erschweren ihre Verarbeitung. Der 3D-Druck bildet hier keine Ausnahme. Drei Punkte verdienen besondere Aufmerksamkeit.

Rissbildung bei hoch ausscheidungshärtenden Legierungen

Legierungen mit hohem Anteil an γ‘-Phase gelten als schwer schweißbar. Bekannte Beispiele sind IN738LC oder CM247LC. Beim Laserschmelzen neigen sie zu Heißrissen und zu Rissen während der Wärmebehandlung. Die Ursache liegt im Zusammenspiel aus Erstarrung, Eigenspannungen und Ausscheidungsbildung. Deshalb dominieren heute gut schweißbare Werkstoffe wie Inconel 718, Inconel 625 und Hastelloy X. Neue Legierungen wie ABD®-900 AM zielen genau auf diese Lücke.

Eigenspannungen und Stützstrukturen

Im LPBF-Prozess wechseln sich schnelles Aufschmelzen und schnelles Abkühlen ständig ab. Dadurch entstehen hohe Eigenspannungen im Bauteil. Ohne Gegenmaßnahmen verzieht sich die Geometrie oder reißt beim Abtrennen von der Bauplattform. Stützstrukturen verankern das Bauteil und leiten Wärme ab. Bei Superlegierungen ist ihr Entfernen allerdings aufwendig. Ein gutes AM-gerechtes Design reduziert daher Überhänge und damit die Zahl der Stützen.

Qualität des Metallpulvers

Die Qualität des Pulvers bestimmt die Qualität des Bauteils. Partikelgrößenverteilung, Kugelform und Restfeuchte beeinflussen Fließfähigkeit und Schüttdichte. Ein erhöhter Sauerstoffgehalt kann Bindefehler und schlechtere mechanische Werte verursachen. Rosswag verdüst Metallpulver in der eigenen Pulverherstellung. Als weltweit erster Dienstleister wurde das Unternehmen dafür vom TÜV SÜD zertifiziert.

Wärmebehandlung und Nachbearbeitung

Ein gedrucktes Bauteil aus Superlegierung ist noch nicht einsatzbereit. Erst die richtige Wärmebehandlung stellt das gewünschte Gefüge ein. Die Nachbearbeitung sorgt anschließend für Maßhaltigkeit und Oberflächengüte.

Am Anfang steht meist das Spannungsarmglühen. Es erfolgt häufig noch auf der Bauplattform. So bauen sich Eigenspannungen ab, bevor das Bauteil getrennt wird. Danach folgen Lösungsglühen und Auslagern. Diese Schritte lösen unerwünschte Phasen auf und erzeugen die festigkeitssteigernden Ausscheidungen. Optional schließt heißisostatisches Pressen (HIP) verbliebene Poren im Inneren.

Für das Ermüdungsverhalten spielt die Oberfläche eine große Rolle. Die raue Oberfläche im gedruckten Zustand wirkt wie viele kleine Kerben. Zerspanen, Schleifen oder Strahlen verbessern die Lebensdauer unter zyklischer Last deutlich. Bei Turbinenteilen mit Vibrationsbelastung ist dieser Schritt oft entscheidend.

Hier profitiert Rosswag Engineering von über 100 Jahren Erfahrung der Rosswag GmbH. Die Schmiede verarbeitet seit Jahrzehnten Hochleistungswerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt und den Energiemaschinenbau. Wärmebehandlung, CNC-Bearbeitung und Prüfung im eigenen Werkstofflabor finden am selben Standort statt. Das verkürzt Wege und sichert reproduzierbare Ergebnisse.

Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, Energie und Industrie

Die Luft- und Raumfahrt ist der klassische Anwender von Superlegierungen. In Triebwerken sitzen sie in Brennkammern, Leitschaufeln und Abgasbereichen. Der 3D-Druck ermöglicht dort Bauteile mit integrierten Kühlkanälen. Diese Kanäle senken die Materialtemperatur und verlängern die Lebensdauer.

In der Raumfahrtindustrie zählen kurze Entwicklungszyklen und kleine Stückzahlen. Einspritzköpfe und Brennkammern für Raketentriebwerke entstehen heute oft additiv. Die Konstrukteure sparen Werkzeuge und vereinen Dutzende Einzelteile in einem Bauteil. Für solche Projekte eignen sich Rapid Prototyping und anschließende Kleinserien besonders gut.

Im Energiemaschinenbau arbeiten stationäre Gasturbinen unter ähnlich harten Bedingungen. Das Leitschaufelcluster für MAN Energy Solutions zeigt, wie die additive Fertigung dort in Serie geht. In der chemischen Industrie gewinnen neue Anwendungen an Bedeutung. Alloy 699 XA widersteht Metal Dusting bei der Herstellung von Synthesegas. Damit eignet sich der Werkstoff für Power2X-Anlagen, etwa zur Produktion von Wasserstoff, Ammoniak oder E-Fuels.

NASA GRX-810: Wohin die Entwicklung geht

Wie viel Potenzial in der Kombination aus Superlegierung und 3D-Druck steckt, zeigt ein Projekt der NASA. Forschende des Glenn Research Center entwickelten gemeinsam mit der Ohio State University die Legierung GRX-810. Die Ergebnisse erschienen 2023 im Fachjournal Nature (Smith et al.).

GRX-810 ist eine oxiddispersionsverfestigte NiCoCr-Legierung. Feinste Oxidpartikel verteilen sich gleichmäßig im Metall und verstärken es. Das Team nutzte dafür ein laserbasiertes additives Verfahren. Bei 1.093 °C zeigte die Legierung im Vergleich zu herkömmlichen Nickelbasislegierungen die doppelte Festigkeit. Die Kriechbeständigkeit lag über tausendfach höher, die Oxidationsbeständigkeit doppelt so hoch. Der Anlagenhersteller 3D Systems konnte die Eigenschaften später auf einer kommerziellen Anlage bestätigen.

Das Beispiel zeigt einen klaren Trend. Die additive Fertigung formt nicht nur Geometrien. Sie ermöglicht auch Werkstoffe, die sich konventionell kaum herstellen lassen. Wer solche Legierungen industriell nutzen will, braucht eine schnelle und belastbare Werkstoffqualifizierung.

Superlegierungen im 3D-Druck bei Rosswag Engineering

Rosswag Engineering fertigt metallische Bauteile ausschließlich im LPBF-Verfahren. Die gesamte Prozesskette liegt in einer Hand. Sie reicht von der Verdüsung des Metallpulvers über den Druck bis zu Wärmebehandlung, Nachbearbeitung und Prüfung. Das Portfolio umfasst über 40 qualifizierte Metallwerkstoffe, darunter mehrere Superlegierungen auf Nickelbasis.

Der TÜV SÜD hat Rosswag als erstes Unternehmen für die Pulverherstellung und die Serienfertigung von Funktionsbauteilen zertifiziert. Hinzu kommt die Zertifizierung für additiv gefertigte Halbzeuge nach Druckgeräterichtlinie. Details finden Sie auf der Seite Zertifizierungen.

Sie benötigen eine Legierung, die noch nicht im Portfolio ist? Rosswag qualifiziert auch neue Werkstoffe für den Metall 3D-Druck. Erste Ergebnisse liegen in der Regel nach drei bis vier Wochen vor. Vom Prototyp bis zur Kleinserienfertigung und Serie begleitet Sie ein Team aus Werkstoff- und Prozessexperten.

Häufige Fragen zum 3D-Druck von Superlegierungen

Welche Superlegierungen lassen sich im 3D-Druck verarbeiten?

Etabliert sind vor allem Inconel 718, Inconel 625 und Hastelloy X. Diese Nickelbasislegierungen sind gut schweißbar und im LPBF-Verfahren serienreif. Waspaloy und speziell entwickelte Legierungen wie ABD®-900 AM erweitern den Temperaturbereich.

Sind gedruckte Superlegierungen so fest wie geschmiedete?

Nach passender Wärmebehandlung erreichen gedruckte Bauteile Festigkeiten auf dem Niveau konventioneller Halbzeuge. Die genauen Werte hängen von Werkstoff, Baurichtung und Nachbehandlung ab. Die Datenblätter der einzelnen Werkstoffe geben verlässliche Kennwerte an.

Warum ist eine Wärmebehandlung bei Superlegierungen notwendig?

Der Druckprozess erzeugt Eigenspannungen und ein Gefüge ohne die gewünschten Ausscheidungen. Spannungsarmglühen baut die Spannungen ab. Lösungsglühen und Auslagern stellen danach Festigkeit und Hochtemperaturfestigkeit gezielt ein.

Wann lohnt sich der 3D-Druck von Superlegierungen?

Der 3D-Druck lohnt sich bei komplexer Geometrie, innenliegenden Kühlkanälen und kleinen bis mittleren Stückzahlen. Auch wenn mehrere Einzelteile zu einem Bauteil verschmelzen sollen, spielt das Verfahren seine Stärken aus.

Was unterscheidet Superlegierungen von Edelstahl?

Edelstahl ist korrosionsbeständig und wirtschaftlich, verliert bei hohen Temperaturen aber an Festigkeit. Superlegierungen behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch weit über 600 °C. Sie sind deshalb die erste Wahl für Turbinen und Triebwerke.

Fazit: Superlegierungen und LPBF gehören zusammen

Superlegierungen auf Nickelbasis sind die Antwort auf extreme Temperaturen, hohe Lasten und aggressive Medien. Konventionelle Fertigungsverfahren stoßen bei diesen Werkstoffen schnell an wirtschaftliche Grenzen. Das LPBF-Verfahren löst dieses Problem. Es spart Material, ermöglicht Kühlkanäle und reduziert Baugruppen auf ein einziges Bauteil. Der Erfolg hängt jedoch von der gesamten Prozesskette ab. Pulverqualität, Prozessparameter, Wärmebehandlung und Nachbearbeitung müssen exakt zusammenspielen.