Niob C103 ist eine hochschmelzende Legierung auf Niob-Basis mit Zusätzen von Hafnium (ca. 10 %) und Titan (ca. 1 %). Aufgrund ihrer hervorragenden Warmfestigkeit sowie ihrer guten Verformbarkeit bei Raumtemperatur und Schweißbarkeit hat sie sich zu einem Schlüsselwerkstoff für Hochtemperaturbauteile in der Luft- und Raumfahrt entwickelt. Traditionell werden C103-Bauteile hauptsächlich durch subtraktive Verfahren wie Schmieden und Zerspanen hergestellt; dabei ist die Materialausnutzung jedoch extrem gering – herkömmliche Schmiedeverfahren können zu Materialverlusten von bis zu 95 % führen, zudem ist die Fertigung komplexer Strukturen schwierig. Die Einführung der additiven Fertigungstechnologie hat für die Anwendung dieses Werkstoffs völlig neue Wege eröffnet.
Der entscheidende Grund dafür, dass die additive Fertigung von C103-Legierungen zu einem Schwerpunkt der Forschung geworden ist, liegt in ihrer Fähigkeit, die Grenzen herkömmlicher Bearbeitungsverfahren zu überwinden: Erstens verbessert sie die Materialausnutzung erheblich und senkt die Fertigungskosten; zweitens ermöglicht sie die integrierte Herstellung komplexer Geometrien, wodurch sich die Fertigungszyklen verkürzen. Insbesondere in Bereichen mit dringendem Bedarf an komplexen, hitzebeständigen Strukturen – etwa bei Hyperschallfahrzeugen oder Brennkammern von Raketentriebwerken – stellt die additive Fertigung eine nahezu unersetzliche Lösung dar.
Voraussetzung für die additive Fertigung sind zunächst geeignete Ausgangsmaterialien. Derzeit kommen bei der additiven Fertigung von C103 vorwiegend zwei Formen von Ausgangsmaterialien zum Einsatz: Pulverförmige Materialien. Kugelförmige C103-Pulver werden mittels EIGA-Verfahren (Electrode Induction Gas Atomization) oder PREP-Verfahren (Plasma Rotating Electrode Atomization) hergestellt, wobei die Partikelgrößen typischerweise im Bereich von 15–53 μm oder 45–105 μm liegen. Hochwertige kugelförmige Pulver bilden die Grundlage für pulverbasierte Verfahren wie das Laser-Pulverbett-Schmelzen (L-PBF). Draht als Ausgangsmaterial: C103-Schweißdraht wird direkt für die additive Fertigung eingesetzt, wodurch der Aufwand und die Kosten der Pulverherstellung entfallen; dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung großformatiger Bauteile.
Derzeit konzentriert sich die Forschung zur additiven Fertigung von C103-Legierungen hauptsächlich auf zwei technische Verfahren: das Laser-Pulverbettverfahren (L-PBF). L-PBF ist das am intensivsten erforschte pulverbasierte Verfahren. Institutionen wie das Glenn Research Center der NASA haben die mechanischen Eigenschaften von mittels L-PBF gefertigten C103-Bauteilen systematisch im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1400 °C untersucht. Studien haben gezeigt, dass bei Verwendung von kugelförmigem C103-Pulver mit einer Partikelgröße (D50-Wert) von etwa 29 μm dichte Bauteile mit einer relativen Dichte von über 99,8 % hergestellt werden können – dies erfolgt in einer Inertgasatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von unter 200 ppm. Das L-PBF-Verfahren weist jedoch Nachteile wie eine relativ geringe Aufbaugeschwindigkeit und einen begrenzten Fertigungsmaßstab auf.
Laser-DED (Directed Energy Deposition): Aufgrund der höheren Auftragseffizienz und der Möglichkeit, größere Bauteile zu fertigen, hat sich die DED-Technologie zu einem weiteren wichtigen Ansatz in der additiven Fertigung von C103 entwickelt. Je nach Art der Materialzuführung lässt sich DED in pulverbasierte DED-Verfahren und drahtbasierte DED-Verfahren (LWDED) unterteilen:
Pulverbasiertes DED: Das Oak Ridge National Laboratory in den USA optimierte die Prozessparameter für das pulverbasierte DED von C103 systematisch durch eine Kombination aus multiphysikalischer Schmelzbadsimulation und experimentellen Versuchen. Dabei wurde festgestellt, dass sich fehlerfreie Bauteile herstellen lassen, wenn das Verhältnis von Laserleistung zu Vorschubgeschwindigkeit (P/V) nahe bei 1 liegt.
Drahtbasiertes DED: Ein Team des KAIST in Südkorea berichtete erstmals über ein lasergestütztes DED-Verfahren für C103. Es wurde festgestellt, dass eine Laserleistung von 2000 bis 2600 W erforderlich ist, um ein stabiles Schmelzbad zu erzeugen; eine zu hohe Leistung kann zu Laserreflexionen und Lichtbogenbildung führen, wodurch der Fertigungsprozess gestört wird. Die Streckgrenze des mit diesem Verfahren hergestellten C103 übertrifft die Anforderungen der Norm ASTM B654 um mehr als 10 %. Auch Einrichtungen wie die Oregon State University in den USA entwickeln C103-Draht-DED-Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Strukturen.
