In-situ Legierungssynthese von ß-NiAl-Basis-Legierungen mittels 3D-Laser-Pulver-Auftragschweißen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457729030

Die stetige Weiterentwicklung von Antriebssystemen für die Luftfahrt stellt steigende Anforderungen an die verwendeten Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe. Bereits 1966 wurden ß-NiAl-Basis-Legierungen als potentielle Strukturwerkstoffe für Hochtemperaturanwendungen identifiziert. Ihre geringe Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Schmelztemperatur, sowie gute Kriech- und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen machen diese zu einem zukunftsträchtigen Werkstoff für Strukturkomponenten in Strahltriebwerken. Trotz der zahlreichen positiven Eigenschaften von ß-NiAl-Basis-Legierungen haben die sehr geringe Duktilität und Bruchzähigkeit unterhalb der Spröd-Duktilen-Übergangstemperatur, sowie eine geringe Hochtemperaturfestigkeit deren industriellen Einsatz bislang verhindert. Ausgehend von diesen Problemstellungen leitet sich der Bedarf nach gezielter Legierungsmodifikation zur Erhöhung von Hochtemperaturfestigkeit und Raumtemperaturduktilität sowie einer materialspezifischen endkonturnahen Verarbeitungsstrategie ab. Aufbauend auf bisherigen Forschungsergebnissen wurde das additive Fertigungsverfahren Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) als geeigneter Ansatz identifiziert, um die erläuterten Herausforderungen zu überwinden.Im Rahmen des beantragten Projektes werden zunächst unter Verwendung eines vorlegierten Ni50Al50-Pulvers Grundlagenversuche zur Verarbeitung von ß-NiAl Legierungen mittels LPA durchgeführt. Aufbauend auf den erlangten Kenntnissen zur Verarbeitung binärer ß-NiAl-Basis-Legierungen wird die Synthese komplexer ternärer und quaternärer ß-NiAl-Basis-Legierung umfassend adressiert.Durch simultane Verarbeitung eines vorlegierten Ni50Al50 Pulvers und elementarer Ta- und Cr-Pulver wird eine Zweitphasenverstärkung angestrebt. Fokus liegt hierbei auf der in-situ Ausbildung einer intermetallischen Laves-Phase bzw. einer α-Cr-Phase zur Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit und Raumtemperaturduktilität. Anhand einer Variation der Prozessparameter (z. B. Laserleistung, Vorschub) werden Wirkmechanismen der Prozess-Gefüge-Beziehungen erforscht. Abschließend werden Probekörper mit gradierter Zusammensetzung, z. B. einem ortsaufgelösten Volumenanteil Laves-Phase entwickelt, um die Möglichkeit des Einstellens ortsaufgelöster Materialeigenschaften mittels LPA zu analysieren.Im Zuge dieser Arbeiten werden sowohl eine tiefgründige Gefügeanalyse als auch eine um-fassende Werkstoffprüfung anhand gefertigter Proben durchgeführt, um Zusammenhänge zwischen der Prozessführung, dem Werkstoffgefüge und den Werkstoffeigenschaften erfas-sen und verstehen zu können. Mittels Highspeed-Bilderfassung werden prozessspezifische Herausforderungen beim in-situ Legieren (z.B. variierende materialspezifische Strahlungs-absorption) untersucht.Die Gesamtheit der durchgeführten Arbeiten bildet am Ende ein fundiertes Verständnis der Wirkmechanismen zwischen den Parametern des LPA in-situ Legierungsprozess, dem Werkstoffgefüge und den Werkstoffeigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen