Welche Nachbearbeitungen verbessern die Korrosionsbeständigkeit von Inconel-Komponenten?

Aus werkstofftechnischer und korrosionswissenschaftlicher Sicht besitzen Inconel-Legierungen wie Inconel 718 und Inconel 625 von Natur aus eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufgrund ihrer stabilen, chromreichen Oxidschicht. Dennoch sind spezifische Nachbehandlungsprozesse entscheidend, um diese Eigenschaften vollständig zu realisieren und nicht durch Fertigungsartefakte zu beeinträchtigen. Diese Behandlungen optimieren die Oberflächenchemie, Mikrostruktur und den physikalischen Zustand der Komponente.

Wichtige Nachbearbeitungsprozesse zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit

Die folgenden Nachbehandlungsprozesse sind entscheidend, um die Korrosionsbeständigkeit von Inconel-Bauteilen zu maximieren, insbesondere bei Komponenten, die durch Additive Fertigung oder CNC-Bearbeitung hergestellt werden.

1. Wärmebehandlung (Mikrostrukturelle Stabilisierung)

Die Wärmebehandlung ist für Inconel grundlegend, da sie sowohl Spannungen abbaut als auch eine stabile, homogene Mikrostruktur erzeugt.

• Spannungsarmglühen & Lösungsglühen: Restspannungen durch Bearbeitung oder schnelle Erstarrung beim DMLS können lokale Hochenergiezonen erzeugen, die anfällig für Spannungsrisskorrosion (SCC) sind. Ein geeignetes Spannungsarm- oder Lösungsglühverfahren löst unerwünschte, chromverarmte Sekundärphasen auf und homogenisiert die Legierungselemente, sodass sich eine gleichmäßige Passivschicht bilden kann.

• Alterung (Ausscheidungshärtung): Bei Legierungen wie Inconel 718 führt die Alterung zur Ausscheidung der verstärkenden Gamma-Prime- und Gamma-Double-Prime-Phasen. Ein korrekt durchgeführter Alterungszyklus verhindert die Bildung schädlicher Phasen wie Delta- oder Laves-Phasen an den Korngrenzen, die galvanische Zellen und Angriffsstellen für Korrosion bilden könnten.

2. Heißisostatisches Pressen (HIP) – Integrität bei additiv gefertigten Bauteilen

Für DMLS-Komponenten ist das Heißisostatische Pressen (HIP) häufig obligatorisch. Dabei wird das Bauteil hohen Temperaturen und isostatischem Gasdruck ausgesetzt, wodurch sich Poren, Hohlräume und Bindefehler schließen. Solche Defekte können als Ausgangspunkte für Loch- und Spaltkorrosion dienen, indem sie korrosive Medien einschließen. Durch HIP werden diese verborgenen Schwachstellen beseitigt, was die Beständigkeit gegen lokale Korrosion deutlich erhöht.

3. Oberflächenbearbeitung und Verdichtung

Der Oberflächenzustand ist die erste Verteidigungslinie gegen Korrosion. Eine glatte, kontinuierliche Oberfläche minimiert Stellen, an denen Lochkorrosion entstehen kann.

• Elektropolieren: Diese Methode ist für Inconel besonders wirksam. Dabei wird die Oberfläche anodisch aufgelöst, wodurch Mikrospitzen und Verunreinigungen entfernt werden. Das Ergebnis ist eine mikroskopisch glatte, spiegelartige Oberfläche mit erhöhtem Chromgehalt, was die Bildung und Stabilität der Passivschicht verbessert.

• Sandstrahlen oder Glasperlenstrahlen: Diese Verfahren erzeugen eine matte Oberfläche und entfernen Verunreinigungen sowie Zunder. Sie müssen jedoch mit einer Passivierung abgeschlossen werden, da beim Strahlen Partikel eingebettet oder Oberflächen verschmiert werden können.

• Mechanisches Polieren: Bei ästhetischen oder funktionalen Anforderungen schafft das Polieren eine sehr glatte Oberfläche, an der korrosive Medien schwer anhaften können.

4. Chemische Passivierung

Die Passivierung ist ein entscheidender chemischer Prozess, der die natürliche Korrosionsbeständigkeit von Inconel stärkt. Dabei wird die gereinigte Komponente in eine oxidierende Säurelösung (in der Regel Salpetersäure) getaucht. Dieser Prozess:

• Entfernt freies Eisen und andere Fremdstoffe, die während der Bearbeitung oder Handhabung in die Oberfläche eingebettet wurden.

• Löst mikroskopische Metallpartikel, die als Ausgangspunkte für galvanische Korrosion wirken könnten.

• Ermöglicht die Bildung einer dickeren, gleichmäßigeren und schützenden Chromoxid-Schicht (Cr₂O₃) auf der Oberfläche.

5. Fortschrittliche Beschichtungen für extreme Umgebungen

Für besonders aggressive Umgebungen, etwa in der chemischen Industrie oder der Öl- und Gasindustrie, können zusätzliche Schutzbeschichtungen aufgetragen werden.

• PVD-Beschichtungen: Beim Physical Vapor Deposition werden extrem harte, inerte keramische Schichten (z. B. CrN, TiAlN) aufgebracht, die außergewöhnliche Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bieten.

• Thermische Spritzbeschichtungen: Dickere Schichten besonders beständiger Materialien können aufgetragen werden, um Bauteile vor starker Erosions- und Spaltkorrosion zu schützen.

Technische Richtlinien für optimale Korrosionsbeständigkeit

1. Robuste Nachbearbeitungssequenz festlegen: Eine typische effektive Abfolge für ein kritisches DMLS-Inconel-Bauteil lautet: Spannungsarmglühen > HIP > Lösungsglühen & Alterung > Bearbeitung kritischer Flächen > Elektropolieren oder Polieren > Passivierung.

2. Interne Integrität bei AM-Teilen priorisieren: Für additiv gefertigte Komponenten ist HIP unerlässlich, um eine Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, die mit geschmiedetem Material vergleichbar ist.

3. Oberflächenanforderungen klar definieren: Die erforderliche Oberflächenrauheit (Ra) sollte je nach Einsatzumgebung eindeutig festgelegt werden. Eine geringere Rauheit (glattere Oberfläche) korreliert in der Regel mit besserer Korrosionsbeständigkeit.

4. Validierung durch Tests: Für kritische Anwendungen sollte die Korrosionsleistung durch standardisierte Tests, wie ASTM G48 für Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit, überprüft werden.