Tailor Alloyed Blanks - Herstellung hochfester, prozessangepasster Halbzeuge durch eine lokale, laserstrahlbasierte Legierungsadaption

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521490180

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines grundlegenden Prozessverständnisses zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen von 7XXXer-Aluminiumlegierungen durch örtlich begrenzte Legierungsadaption mittels laserbasierter Fertigungsverfahren. In diesem Zusammenhang soll durch die Kombination von laserinduzierter Elementverdampfung im ersten Schritt und dem Laser-Draht-Legieren als zweiter Teilprozess eine lokale Adaption der Legierungszusammensetzung und der Mikrostruktur über die gesamte Halbzeugtiefe erreicht werden. Angestrebt wird eine lokale Anpassung der chemischen Zusammensetzung der 7XXXer hin zu einer 6XXXer-Legierung, da dieser Legierungstyp über gesteigerte Umformeigenschaften gepaart mit einer geringeren Kaltauslagerungsneigung verfügt. Aluminium-Knetlegierungen neigen beim Schweißen zu einer hohen Heißrissanfälligkeit. Aus diesem Grund werden in diesem Forschungsvorhaben resultierende Zug-, Druck- und Schrumpfspannungen durch die gezielte Manipulation der Schmelzbadgeometrie, insbesondere der Erstarrungsfront, sowie Anpassung lokaler Temperaturgradienten und Abkühlraten mittels Laserstrahloszillation und/oder dem Einsatz der Doppelfokustechnik reduziert, um Heißrissbildung zu unterbinden. Da primär der hohe Zn-Anteil in Verbindung mit Mg bei Legierungen der 7XXXer-Serie im warm- oder kaltausgelagerten Zustand zu einem geringeren Formgebungsvermögen als bei weniger festen Güten führt, gilt es durch Umschmelzen und selektive Verdampfung die Konzentration der genannten Elemente lokal zu verringern. Es wird eine Reduzierung der Zn-Konzentration von ca. 5 - 6 Gew.-% auf einen Gehalt von ca. 0,2 - 0.5 Gew.-% angestrebt. Im zweiten Teilprozess des Laser-Draht-Legierens wird der an Zn und Mg verarmte Materialbereich mit einem Si-haltigen Drahtwerkstoff zulegiert. Ziel ist es den Si-Gehalt auf 0,5 bis max. 0,7 Gew.-% zu erhöhen, so dass sich im Ergebnis eine chemische Zusammensetzung ähnlich einer 6XXXer Legierung im modifizierten Materialvolumen einstellt. Die Vorgehensweise stellt eine signifikante Neuerung zum aktuellen Stand der Forschung dar, der sich bislang auf die Erweiterung der Formgebungsgrenzen hochfester Aluminiumlegierungen durch Halbwarm- bzw. Warmumformverfahren oder eine dem Umformprozess vorgelagerte lokale Wärmebehandlung beschränkt. Voraussetzung für eine erfolgreiche lokale Legierungsadaption bildet die grundlagenwissenschaftliche Untersuchung von Wirkzusammenhängen bei der Elementverdampfung von niedrigsiedenden Legierungselementen, dem Einbringen von zusätzlichen Elementen beim laserbasierten Draht-Legieren, sowie der Einfluss der Lasermaterialbearbeitung auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften. Ferner bilden die Nachbearbeitung des modifizierten Materialbereichs im Walzprozess zur Glättung der Nahtoberfläche sowie Untersuchungen zum Formgebungsverhalten einfach sowie flächig modifizierter Halbzeugbereiche durch 3-Punkt-Biegeversuche weitere wissenschaftliche Schwerpunkte des Vorhabens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen