Impfen von Aluminiumpulvern für die additive Fertigung, unterstützt durch dynamische Differenzkalorimetrie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Olaf Keßler; Professor Dr.-Ing. Mirko Schaper; Dr. Evgeny Zhuravlev
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409791748

Das Hauptziel unseres Projekts ist die Entwicklung neuer Pulver für PBF-LB/M von hochfesten Aluminiumlegierungen ohne Heißrisse. Dieses Ziel soll durch das Design von NP-geimpften Pulvern erreicht werden. NP sollen bei der schnellen Erstarrung als Keime wirken, was zu einem feinkörnigen Gefüge mit fein verteilter Restschmelze am Erstarrungsende führt. Neben der Oberflächenimpfung wird eine Volumenimpfung in den Pulverpartikeln als effektiver vorgeschlagen. Wir gehen davon aus, dass die geringe Keimbildungseffizienz von NP auf Pulveroberflächen mit Oxidschichten auf Pulverpartikeln zusammenhängt, die zunächst Aluminiumlegierung und NP trennen. Stattdessen sind NP im Inneren des Pulverpartikelvolumens in direktem Kontakt mit der Schmelze und sollen daher effektiver zur Verbesserung der Keimbildung sein. Dies wurde bereits in eigenen Vorarbeiten mit TiC NP und AlN NP in 7075-Pulver nachgewiesen.Das Design von NP-geimpften Pulvern soll durch Differential Fast Scanning Calorimetry (DFSC) geleitet werden. Die in-situ-DFSC ermöglicht die Analyse des schnellen Erstarrungsverhaltens einzelner Pulverpartikel mit Abkühlraten von 10^3 bis 10^5 K/s, wie sie beim PBF-LB/M von Aluminiumlegierungen auftreten. In der 1. Förderperiode haben wir erfolgreich den Erstarrungsbeginn aus der DFSC mit rissfreien PBF-LB/M-Bauteilen für hochfeste Aluminiumlegierungen korreliert. Effektive Keime konnten mit geringer Unterkühlung, feinkörnigem Gefüge, fein verteilter Restschmelze am Erstarrungsende und damit der Vermeidung von Heißrissen in Zusammenhang gebracht werden. In der 1. Förderperiode wurde diese Korrelation für den Erstarrungsbeginn gefunden. Da Heißrisse hauptsächlich beim Erstarrungsende auftreten, ist auch diese charakteristische Temperatur in Abhängigkeit von Werkstoff und Abkühlgeschwindigkeit von großem Interesse. Daher werden wir eine neue isotherme DFSC-Methode anwenden, um auch das Erstarrungsende zu analysieren. Wir werden unsere vorgeschlagene Korrelation zwischen raschem Erstarrungsverhalten und PBF-LB/M in Zusammenarbeit mit mehreren Partnern weiter verbessern, um die Korrelation für verschiedene Aluminiumlegierungen und verschiedene NP herzustellen.Schließlich werden wir uns auf einen wesentlichen Einfluss von NP in PBF-LB/M-Bauteilen konzentrieren, der bisher vernachlässigt wurde. Während ihre Rolle während der Erstarrung beabsichtigt und zumindest teilweise verstanden ist, sind NP auch im erstarrten Gefüge vorhanden und beeinflussen die Festphasenumwandlungen während der weiteren Abkühlung und der anschließenden Wärmebehandlung. Bei aushärtenden Aluminiumlegierungen können NP die vorzeitige Bildung von groben Ausscheidungen während der Abkühlung begünstigen, was die Festigkeit im gebauten Zustand sowie das weitere Auslagerungspotential deutlich herabsetzt. Dieser Mechanismus soll verstanden und NP ausgewählt werden, die für die Erstarrung vorteilhaft, aber für die Aushärtung von hochfesten Aluminiumlegierungen nicht nachteilig sind.

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