The Use of the Gas Nitriding Process for the Nitridation of Powder for Laser Powder Bed Fusion Translated title: Die Verwendung des Gasnitrierprozesses für das Aufsticken von Pulver für das Laser-Pulverbettumschmelzen

Abstract

Additive manufacturing in the powder bed by means of laser powder bed fusion (L-PBF) combines the fast production of metallic components with complex geometrical structures with a high degree of customization and low raw material consumption. However, there is a high demand for the development of new alloys to achieve the desired properties of additively manufactured parts. Due to a lack of knowledge, only a small group of steel powders are currently available for L-PBF. As an example, Cr and CrMn steel powders with additional alloyed nitrogen could be used for L-PBF products for Ni-free medical devices. The present work investigates the possibility of alloying nitrogen to austenitic steel alloy powder and high alloyed martensitic steel powder via gas nitriding. For this purpose, an X30CrMo7-2 powder and an AISI 316L powder for additive manufacturing were arranged to form powder beds of different heights and nitrided at different temperatures, times and nitriding potentials. The nitrogen content was determined from the samples taken at different heights of the powder beds. Individual powder particles were examined by means of metallography, scanning electron microscopy and electron probe micro analysis. It is shown that the nitrogen concentration in the powder is essentially determined by the nitriding temperature. In the X30CrMo7-2 powder, nitride precipitation also occurs at high temperature and N and C gradients are present in the particles with an average nitrogen content of up to 4 mass%. In the 316L powder, a homogeneously distributed nitrogen content of 0.35 mass% can be achieved after gas nitriding at 420 °C for 24 h. The flow properties of both powders are hardly affected by gas nitriding.

Kurzfassung

Die Additive Fertigung im Pulverbett mittels selektivem Laserschmelzen (engl. Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) kombiniert die schnelle Herstellung von metallischen Bauteilen mit komplexen geometrischen Strukturen bei hohem Individualisierungsgrad und geringem Rohstoffverbrauch. Es besteht dabei allerdings ein großer Bedarf an der Entwicklung neuer Legierungen, um die gewünschten Eigenschaften von L-PBF-Teilen zu erreichen. Aufgrund fehlender Kenntnisse ist derzeit jedoch nur eine kleine Gruppe von Stahlpulvern für die L-PBF verfügbar. Beispielsweise könnten Cr- und CrMn-Stahlpulver mit höherem Stickstoffgehalt zur Herstellung von L-PBF-Produkten für Ni-freie medizinische Geräte verwendet werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit, austenitische und hochlegierte martensitisch härtbare Stahllegierungen durch Gasnitrieren des Pulvers mittels Ammoniak mit Stickstoff zu legieren. Hierzu wurden ein X30CrMo7-2- und ein AISI 316L-Pulver für die additive Fertigung in Pulverbetten mit unterschiedlichen Füllhöhen angeordnet und bei verschiedenen Temperaturen, Zeiten und Nitrierkennzahlen nitriert. Die Bestimmung des Stickstoffgehalts erfolgte zum einen nach Probennahme in unterschiedlichen Höhen aus dem Pulverbett, zum anderen wurden einzelne Pulverpartikel metallographisch, rasterelektronenmikroskopisch und mittels Elektronenstrahlmikrosonde untersucht. Es zeigt sich, dass die Stickstoffkonzentration im Pulver im Wesentlichen von der Nitriertemperatur bestimmt wird. Im X30CrMo7-2 erfolgt bei hoher Temperatur zudem eine Nitridausscheidung und es liegen bei mittleren N-Gehalten bis herauf zu etwa 4 Masse-% N- und C-Gradienten in den Partikeln vor. Im 316L lässt sich nach 24 h Gasnitrieren bei 420 °C ein homogen verteilter Stickstoffgehalt von 0,35 Masse-% einstellen. Die Fließeigenschaften beider Pulver werden durch das Gasnitrieren kaum beeinflusst.