Funktional gradierte Strukturen auf Basis hochmanganhaltiger Eisenbasiswerkstoffe -Vom TWIP-Effekt zur Superelastizität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben verfolgte das Ziel, multifunktional gradierte Strukturen über Verfahren der additiven Fertigung (additive manufacturing, AM) herzustellen, die gleichzeitig geometrisch, mikrostrukturell, chemisch und funktional gradiert sind. Die extrem ausgeprägten Freiheitsgrade der additiven Fertigung hinsichtlich der geometrischen Gestaltung sind seit Jahren weithin bekannt. Die Möglichkeiten die Verfahren der AM dazu zu nutzen direkt Mikrostrukturen und somit lokale Eigenschaften einzustellen, waren zu Beginn des Projekts jedoch noch nicht hinreichend erforscht. Hier setzte das Projekt an. Über die Verfahren des selektiven Elektronenstrahlschmelzens (selective electron beam melting, EBM) sowie des selektiven Laserschmelzens (selective laser melting, SLM) wurden durch gezielte lokale Beeinflussung der Prozessparameter Mikrostrukturen realisiert, die von stark anisotropen, grobkörnigen Zuständen hin zu isotropen, feinkörnigen Zuständen reichten. Zudem konnte der starke Einfluss von Substrukturen in den AM-Werkstoffen auf die finalen mechanischen Eigenschaften herausgestellt werden. Mit der Fe-basierten Formgedächtnislegierung (FGL) Fe-Mn-Al-Ni wurde ein bislang wenig erforschtes FGL- System in den Fokus des Projekts gerückt. Die Forschungsarbeiten zu dem Fe-Mn-Al-Ni FGL konnten weitreichende neue Kenntnisse liefern. So wurden robuste Wärmebehandlungsprozesse erarbeitet, die es nicht allein erlauben die notwendige oligokristalline Mikrostruktur (sog. „Bamboo-Struktur“) gezielt einzustellen, sondern gleichzeitig, über die Anpassung sowohl der Abschreckbedingungen als auch über geeignete chemische Modifikation, die Entstehung einer duktilen Phase auf den Korngrenzen zu erreichen. Diese verhindert ein frühzeitiges, sprödes Versagen entlang der Korngrenzen. Zudem konnte aufgezeigt werden, dass sich das Degradationsverhalten unter zyklisch-mechanisch und thermischer Belastung des Fe-Mn-Al-Ni deutlich von den elementaren Vorgängen in etablierten FGL unterscheidet. Auf Basis der Erkenntnisse konnten Vorgaben für die weitergehende Verbesserung der funktionalen Eigenschaften der Fe-basis FGL formuliert werden. Neben dem FGL-Effekt konnten über die Verwendung verschiedener austenitischer Stähle und hochmanganhaltiger Eisenbasislegierungen die Effekte der Transformation- und Twinning-Induced Plasticity (TRIP/TWIP) in den betrachteten Werkstoffen genutzt und kombiniert werden. Der über den EBM-Prozess verarbeitete TRIP-Stahl zeichnet sich bereits im Zustand „as-built“, d.h. ohne jede Nachbehandlung, durch eine ausgeprägte Schadenstoleranz unter quasistatischer und zyklischer Belastung aus. Die den AM-Prozessen inhärente intrinsische Wärmebehandlung konnte zur gezielten Kornfeinung und zur Realisierung einer isotropen Mikrostruktur genutzt werden. Über die lokalen Prozessparameter ist zudem eine gezielte Abdampfung volatiler Elemente (hier dem Mn) möglich, sodass in dem Werkstoff chemisch gradierte Zustände realisiert werden konnten. Über die lokale Änderung der Stapelfehlerenergie konnten so das lokale Verformungs- und Verfestigungsvermögen gezielt beeinflusst werden. Final wurden die AM-Strukturen so gradiert, dass unter zyklischer Belastung lokale Bereiche als Rissstoppelemente wirken. Dies konnte bereits allein durch die mikrostrukturelle Gradierung erreicht werden. Die Funktionenintegration über die Einbringung lokaler FGL-Bereiche konnte in Ansätzen ebenfalls umgesetzt werden. Hier zeigten sich jedoch noch weitergehende Herausforderungen. Aufgrund der hohen metallurgischen Verträglichkeit der im Projekt erforschten Systeme zeigte sich in den jeweiligen Schmelzzonen stets eine extrem rasch stattfindende Legierungsbildung. Somit konnten FGL und TRIP/TWIP-Bereiche nicht ausreichend trennscharf ausgebildet werden. Auf der Millimeter-Skala konnte jedoch bereits nachgewiesen werden, dass es möglich ist Strukturen mit lokalen FGL-Bereichen zu realisieren, jedoch zeigt sich bislang ein ausgeprägtes Degradationsverhalten in den Gradientenstrukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- On the effect of gamma phase formation on the pseudoelastic performance in polycrystalline Fe-Mn-Al-Ni shape memory alloys, Scripta Mater. 108, 2015, 23-26
M. Vollmer, C. Segel, P. Krooß, J. Günther, L.W. Tseng, I. Karaman, A. Weidner, H. Biermann, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.06.013) - Microstructure evolution and functional properties of Fe-Mn-Al-Ni shape memory alloy processed by selective laser melting, Metall. Mater. Trans. A 47, 2016, 2569-2573
T. Niendorf, F. Brenne, P. Krooß, M. Vollmer, J. Günther, D. Schwarze, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11661-016-3412-z) - Cyclic degradation behavior of 〈001〉-oriented Fe-Mn-Al-Ni single crystals in tension, Shape Memory and Superelasticity 3, 2017, 335-346
M. Vollmer, M.J. Kriegel, P. Krooß, S. Martin, V. Klemm, A. Weidner, Y. Chumlyakov, H. Biermann, D. Rafaja, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40830-017-0117-0) - Electron beam welding of Fe-Mn-Al-Ni shape memory alloy: Microstructure evolution and shape memory response, Funct. Mater. Let. 10, 2017, 1750043
P. Krooß, J. Günther, L. Halbauer, M. Vollmer, R. Zenker, H. Biermann, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1142/S1793604717500436) - On the effect of titanium on quenching sensitivity and pseudoelastic response in a Fe-Mn-Al-Ni-base shape memory alloy, Scripta Mater. 126, 2017, 20-23
M. Vollmer, P. Krooß, I. Karaman, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.08.002) - Cyclic deformation of a damage tolerant CrMnNi TRIP steel produced by electron beam melting, Int. J. Fatigue 114, 2018, 262-271
M. Droste, J. Günther, D. Kotzem, F. Walther, T. Niendorf, H. Biermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.05.031) - Design of novel materials for additive manufacturing - Isotropic microstructure and high defect tolerance, Scientific Reports 8, 2018, 1298
J. Günther, F. Brenne, M. Droste, M. Wendler, O. Volkova, H. Biermann, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-018-19376-0) - Damage tolerant design by microstructural gradation – influence of processing parameters and build orientation on crack growth within additively processed 316L, Mater. Sci. Eng. A764, 2019, 138186
F. Brenne, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138186) - FeNnNiAl Iron Based Shape Memory Alloy - Promises and Challenges. Shape Memory and Superelasticity 5, 2019, 263-277
W. Abuzaid, Y. Wu, S. Ravi, F. Brenne, S. Alkan, M. Vollmer, P. Krooß, T. Niendorf, H. Sehitoglu
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40830-019-00230-9) - Effect of compositional variation upon EBM processing on deformation behavior and phase stability of austenitic CrMnNi TRIP steel. JOM 72, 2020, 1052-1064
J. Günther, R. Lehnert, R. Wagner, M. Wendler, O. Volkova, H. Biermann, T. Niendorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11837-020-04018-6)
