Eutektische Al Legierungen mit angepassten Erstarrungspfaden zur Untersuchung fundamentaler Aspekte der Erstarrung in der laserbasierten additiven Fertigung II

• Antragsteller: Dr. Markus Apel; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409726740

Im Projekt sollen Al-Ni-Ce-Legierungen im Bereich der Zone des gekoppelten eutektischen Wachstums bezüglich ihrer Eigenschaften in PBF-LB/M Prozessen untersucht werden. Besonders ultrafeine eutektische Strukturen lassen interessante mechanische Eigenschaften erwarten. In der ersten Phase konnten zwei der aufgestellten Forschungshypothesen verifiziert werden: In binären Al-Ni Legierungen lässt sich die Mikrostruktur, speziell ein ultrafeines binäres eutektisches Gefüge durch eine übereutektische Zusammensetzung und angepasste Prozessparameter gezielt einstellen. Im Fall des gekoppelten eutektischen Wachstums lassen sich aus dem Faser- bzw. Lamellenabstand Rückschlüsse auf die lokale Erstarrungsgeschwindigkeit ziehen. Darüber hinaus konnten eine Vielzahl weiterer, z.T. neuartiger Erstarrungsstrukturen sowohl experimentell als auch in der Phasenfeldsimulation nachgewiesen werden. Aus den Erstarrungsgefügen lässt sich eine starke Asymmetrie der Zone gekoppelten Wachstums ablesen. Prozessparameter und Materialeigenschaften beeinflussen die Schmelzbaddynamik. Durch die gesammelten experimentellen Daten konnte ein Zusammenhang zwischen Porosität und Dimension des Schmelzbades herausgearbeitet werden. In der zweiten Phase des SPP2122 soll dieser Zusammenhang detaillierter untersucht werden. Im speziellen soll der Einfluss der Spurabstandes und des Strahldurchmessers auf das Einsetzen des „keyholing“ abhängig von der Legierungszusammensetzung untersucht werden, um so das Prozessfenster zu erweitern. Dazu werden sowohl Simulationen des Schmelzbades, als auch Experimente mit Al-Ni-Ce Legierungen durchgeführt.Die Reduktion der Porosität geht Hand in Hand mit einer geeigneten Mikrostruktur. Im Vergleich zu binären Al-Ni Legierungen erwarten wir im ternären System Al-Ni-Ce eine noch größere Vielfalt zugänglicher Erstarrungsgefüge. Unser Fokus liegt hier auf ultrafeinen dreiphasigen Eutektika. Für übereutektische Al-Ni-Legierungen konnten wir bei hohen Laserscangeschwindigkeiten eine zweiphasige, nanokristalline Struktur mit Korngrößen im Bereich von 50nm nachweisen. Diese Struktur entsteht intrinsisch, zeigt bemerkenswert hohe Härtewerte und keine Erstarrungsrisse, ist allerdings anfällig für Kaltrisse. Offen ist, ob sich auch dreiphasige, nanokristalline Mikrostrukturen mit ähnlichen oder besseren Eigenschaften herstellen lassen.Im Projekt sind systematische Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften (Härteprüfung, Zugversuch) der verschiedenen Mikrostrukturen in Al-Ni-Ce geplant. Am Ende des Projektes soll eine Vorgehensweise zur Verfügung stehen, mit der sich dichte Proben mit lokal angepassten Eigenschaften herstellen lassen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung