Mechanismenbasiertes Verständnis von Funktionsgradierung additiv-gefertigter Ti-6Al-4V und Al-12Si Legierungen mit Fokus auf Ermüdungseigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Claus Emmelmann; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336368661

Hauptziel des Projektvorhabens ist die Steigerung des Potentials des Selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) zur Generierung von lokal gradierten Bauteileigenschaften (im Bereich von einigen hundert Mikrometern), um die Ermüdungsfestigkeit in den maximal beanspruchten Bereichen eines Bauteils lokal zu verbessern. Die zyklische Festigkeit von SLM-Bauteilen wird in der Literatur als niedrig im Vergleich zu konventionell hergestellten Legierungen bezeichnet. Die Vermeidung der festigkeitsmindernden Defekten (z.B. Poren, Risse) kann sehr kostenintensiv sein, wenn das gesamte Bauteil bzgl. Lebensdauer verbessert werden muss. Wenn jedoch mit Hilfe von Strukturanalysen (z.B. Finite Element Methode) die kritischen Ermüdungsbereiche in Bezug auf Spannungskonzentration im Bauteil identifiziert werden, so müssen lediglich diese Bereiche hinsichtlich der Ermüdungseigenschaften optimiert werden (z.B. selektives Wiederaufschmelzen). Durch diese funktional gradierten Eigenschaften können die Herstellungskosten bei gleichzeitig hoher Ermüdungsfestigkeit des Bauteils minimiert werden. Die erwartete Verbesserung durch die funktional gradierte Fertigung der additiv gefertigten Strukturen wird die industrielle und kosteneffiziente Herstellung von betriebssicheren Komponenten ermöglichen. Zur Erreichung des Ziels gibt es eine Vielzahl von Faktoren, deren Einflüsse und Wechselwirkungen untereinander verstanden werden müssen. Hierfür muss ein Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsverständnis entwickelt werden, welches durch die Korrelation von Prozessparametern mit Ergebnissen aus Metallographie und Mikroskopie sowie mechanischen Kennwerten im Projekt erarbeitet wird. Dieses Verständnis der Zusammenhänge stellt die Grundlage für die erfolgreiche Herstellung von funktional gradierten Strukturen dar. Darüber hinaus werden optimale Prozessparameter u.a. für das selektive Wiederaufschmelzen bestimmt. Das Wiederaufschmelzen bietet die Möglichkeit interne Defekte (Poren, Risse, etc.) in kritischen Bereichen zu verhindern und damit das Ermüdungsverhalten signifikant zu verbessern Im Anschluss wird die optimale Tiefe für das selektive Wiederaufschmelzen untersucht, um den Prozess kosteneffizient zu gestalten. Ein weiterer wichtiger Faktor des Projektvorhabens sind Untersuchungen bezüglich der Vorheiztemperatur des Pulvers, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Vermeidung von großvolumigen Poren sowie den vorherrschenden Temperaturgradienten hat, welcher wiederrum verantwortlich für die Ausbildung der Mikrostruktur ist. Zum Schluss wird ein grundlegendes Verständnis von gradierten Mikrostrukturen geschaffen und die Wechselwirkung von benachbarten Mikrostrukturen auf die Verformungs- und Schädigungs¬mechanismen bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen