In-situ Modifikation der Mikrostruktur von Duplexstählen beim Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496140019

Die Materialeigenschaften von Duplexstählen (DSS) beruhen auf der zweiphasigen Struktur des Gefüges, welches sich aus einem ausgeglichenen Verhältnis der Austenit- und der Ferritphase zusammensetzt, um einerseits gute Korrosionseigenschaften und andererseits gute mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Bei der Verarbeitung von DSS mittels laserbasierten, additiven Fertigungsverfahren wie dem Laserstrahlschmelzen aus dem Pulverbett (PBF-LB/M) bildet sich jedoch ein überwiegend ferritisches Gefüge aus. Um die PBF-LB/M spezifischen Eigenschaften beizubehalten, bedarf es daher einer angepassten Prozessführung, die in einer Duplexstruktur resultiert. Aus diesem Grund wird der Einfluss der Prozessbedingungen auf das Phasenverhältnis und die resultierenden Eigenschaften untersucht. Dies schließt neben den PBF-LB/M Prozessparametern und Scanstrategien auch die Stickstoffkonzentration im Prozessgas ein. Aus diesen Prozessbedingungen ergibt sich für jeden Punkt im gefertigten Volumenkörper eine eigene Temperaturhistorie. Um den Einfluss der Prozessbedingungen auf die resultierenden Materialeigenschaften und insbesondere das Phasenverhältnis zu verstehen, wird daher ein vereinfachtes Modell zur Beschreibung der Temperaturhistorie im Bauteil auf Basis der dreidimensionalen Wärmeleitungsgleichung und einer experimentell kalibrierten Ersatzwärmequelle aufgebaut. Durch Korrelation der räumlichen und zeitlichen Temperaturentwicklung im Bauteil während des PBF-LB/M mit den Phasenanteilen im Gefüge werden Prozessstrategien abgeleitet, die eine gezielte Einstellung einer Duplexstruktur bestehend aus einem Verhältnis von Austenit-zu-Ferrit von 50 % erlauben. Als zweiten Ansatz zur Gefügemodifikation und zur weiteren Kornfeinung wird die Zugabe von Nanopartikeln als Keimbildner untersucht. Ziel ist dabei zu erforschen, in welchem Maße durch die Zugabe von Nanopartikeln in Konzentrationen < 0,1 Gew.-% Einfluss auf die Mikrostruktur und das Erstarrungsverhalten genommen werden kann. Um die im PBF-LB/M erzeugten Materialeigenschaften beizubehalten, werden Wärmebehandlungsstrategien entwickelt, mittels derer sowohl die thermisch induzierten Spannungen beseitigt als auch die Phasenverteilung und Korngröße weitgehend erhalten werden. Parallel erfolgt zu allen Untersuchungspunkten die Analyse der makroskopischen Materialeigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine Korrelation mit dem Gefüge und der Mikrostruktur.Mit den geplanten Untersuchungen wird ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Prozessbedingungen, dem Werkstoffgefüge und den resultierenden Eigenschaften von laserstrahlgeschmolzenen DSS geschaffen. Basierend darauf wird angestrebt, durch Anpassung der Prozessparameter und Scanstrategien beim PBF-LB/M, der Schutzgasatmosphäre, der Nanopartikelkonzentration und der Anwendung von geeigneten Wärmebehandlungsstrategien ein hohes Maß an Kontrolle über die Eigenschaften von DSS aus dem PBF-LB/M zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen