Gezielte Modifikation der Materialeigenschaften von Compositionally Complex Alloys durch integrierte Wärmebehandlung im additiven Fertigungsprozess

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Cemal Esen; Professor Dr. Jan T. Sehrt; Professor Dr.-Ing. Sebastian Weber
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548385228

Die additive Fertigung (eng. Additive Manufacturing, AM) ermöglicht durch ihren schichtweisen Werkstoffauftrag die Generierung von komplexen Bauteilen mit Besonderheiten wie der Integration von funktionalen Strukturen, der Verarbeitung von (Multimaterial-)Komponenten mit gradierten Eigenschaften oder dem Einsatz hybrider Fertigungsverfahren. Stähle im Basissystem Fe-Cr-Ni sind erprobte Werkstoffe für metallverarbeitende, additive Fertigungsprozesse. Im Vergleich zu etablierten austenitischen und weichmartensitischen Güten versprechen sog. „controlled transformation steels“, die zu den compositionally complex alloys (CCA) zählen, erheblich höhere Festigkeit, die sich durch eine mehrstufige Wärmebehandlung erzielen lässt, sowie eine sehr gute AM-Prozessierbarkeit. Diese im AM-Bereich neue Werkstoffgruppe wird daher als Modellwerkstoff für eine prozessintegrierte Wärme-/Cryogenbehandlung in den beiden etablierten additiven Fertigungsverfahren für Metalle Powder Bed Fusion – Laser Beam/Metal (PBF-LB/M) und Directed Energy Deposition – Laser Beam/Metal/powder (DED-LB/M/powder) betrachtet. Beide Verfahren sind weit verbreitet, weisen aber große Differenzen im Wärmehaushalt sowie in der Ausbildung der Schmelzbäder (z. B. Schmelzbadgröße, -volumina, -geometrie) und folglich auch in der Gefügeausprägung auf. Darüber hinaus unterscheiden sich die Verfahren im Grad der realisierbaren Bauteilkomplexität und -größe sowie in der Zugänglichkeit und damit der Möglichkeit der Wärme-/Cryogenbehandlung im Prozess. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden zunächst mit CALPHAD (CALculation of PHAse Diagramms) geeignete Legierungszusammensetzungen entwickelt und mittels VIGA (Vacuum inert gas atomization, Vakuum-Inertgasverdüsung) als Metallpulver hergestellt. Diese CCA weisen eine gezielt eingestellte Phasenstabilität der gamma-Phase gegenüber alpha-Martensit auf, so dass sich die lokalen Eigenschaften und Phasenanteile über den Wärmehaushalt im AM-Prozess definiert beeinflussen und ex-situ untersuchen lassen. Die integrierte Wärmebehandlung hat dabei den Vorteil, dass Bauteilinnenbereiche gezielt behandelt werden können und entgegen der nachgelagerten Wärmebehandlung nicht von einem vorgegebenen Temperaturgradienten durch das eingesetzte Kühlmedium abhängig sind. Zudem wird untersucht, inwieweit eine lokale Einstellung der Mikrostruktur im Hinblick auf gradierte Eigenschaften im Bauteil möglich ist. Die erfolgreiche Umsetzung dieses Ansatzes lässt einen Transfer auf andere metallische Werkstoffe erwarten, die von einer in den AM-Prozess integrierten Wärme-/Cryogenbehandlung profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen