Erforschung der mikrostruktur- und defektkontrollierten Schadenstoleranz von Gitterstrukturen bei Raumtemperatur und 650 °C auf Basis der E-PBF prozessierten Nickelbasislegierung Inconel 718

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379213719

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines tiefergehenden Verständnisses des Strukturverhaltens sowie der Gefüge- und Eigenschaftsausbildung periodischer Gitterstrukturen auf Basis der mittels E-PBF prozessierten Inconel 718 (IN718) Legierung. Im Einzelnen soll untersucht werden, wie die Werkstoffeigenschaften und die Oberflächentopographie durch gezielte Anpassung der Prozessparameter, sowie durch ein entsprechendes Post-Processing (Oberflächenbearbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren) gezielt eingestellt werden können. Bezüglich der Oberflächenbearbeitung werden alternative Verfahrensansätze verfolgt, da konventionelle Schleif- und Polierprozesse nur bedingt zur Verbesserung der Oberflächenrauheit additiv gefertigter Gitterstrukturen eingesetzt werden können. Neben nasschemischen Verfahren, wie dem chemischen Ätzen und dem elektrochemischen Polieren (ECP), werden mechanische Verfahren wie das Gleitschleifen und Kugelpolieren betrachtet. Entscheidend für diese Verfahren ist die Sicherstellung eines gleichmäßigen Materialabtrags sowohl im oberflächennahen Bereich als auch im Probeninneren. Zur Bewertung der verschiedenen Verfahren soll die resultierende Oberflächenrauheit mittels Konfokalmikroskop bzw. µ-CT untersucht werden. Neben der 2D/3D-Porenanalyse werden zur Quantifizierung des Einflusses der Wärmebehandlungsverfahren (Lösungsglühen + Auslagerung, HIP + Lösungsglühen + Auslagerung) ergänzend mikrostrukturelle Untersuchungen im Rasterelektronen- (REM) und Transmissionselektronenmikroskop (TEM) sowie Härtemappings im Randbereich und im Probeninneren herangezogen. Im Rahmen der weiterführenden mechanischen Charakterisierung werden die unterschiedlichen Materialzustände auf Basis von quasi-statischen und zyklischen Versuchen bis 107 Zyklen untersucht. Zur Bestimmung von Werkstoffreaktionsgrößen während der mechanischen Versuche wird eine applikationsorientierte Instrumentierung, unter Zuhilfenahme von Gleich- bzw. Wechselstrompotentialsonden, Infrarotkamera und Optimizer4D, eingesetzt. Neben den Versuchen bei Raumtemperatur (RT) wird der für IN718 relevante Hochtemperaturbereich bei 650 °C zur Bestimmung der Hochtemperaturermüdungseigenschaften betrachtet. Besonders herausfordernd wird hier die Adaption der verschiedenen Messverfahren sein. Für ein vollumfängliches Werkstoffverständnis werden außerdem Schädigungsfortschrittsversuche durchgeführt, um weitere Aussagen über die Schadensakkumulation und -ausbreitung in additiv gefertigten Gitterstrukturen zu machen. Zusammenfassend werden die mikrostrukturellen, computertomographischen sowie die mechanischen Untersuchungen mit den Ergebnissen aus den Ermüdungsversuchen betrachtet und validiert und auftretende Wirkzusammenhänge sowohl qualitativ als auch quantitativ modellbasiert beschrieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen