Ni-Ti-Hf Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen hergestellt über additive Fertigung unter Verwendung des selektiven Elektronenstrahlschmelzverfahrens – Vom Prozess zu den Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398899207

Hochtemperatur (HT)-Formgedächtnislegierungen (FGL) erlauben die Realisierung hocheffizienter Aktor- sowie Sensoranwendungen in vielen industriellen Bereichen wie z.B. dem Mobilitätssektor, in denen die FGL-Technik bislang aufgrund kritischer Einsatzgrenzen kaum Verwendung findet. In den zurückliegenden Jahren sind einige vielversprechende HT-FGL entwickelt worden, jedoch sind in allen Systemen noch inhärente Probleme zu lösen.Ni-Ti-Hf HT-FGL mit Hf-Gehalten bis 20 At.-% sind über komplexe thermomechanische Prozessrouten zwar herstellbar, Applikationstemperaturen sowie bisher nachgewiesene Stellwege sind jedoch limitiert. Letzteres weist auf ungünstige Mikrostrukturen in den umgeformten Zuständen hin. Die Limitierung des Umformgrads aufgrund einer ausgeprägten Sprödheit dieser Materialsysteme erfordert zudem vielstufige Formgebungsverfahren und resultiert somit in relativ hohen Verarbeitungskosten. Effektgrößen ermittelt an einkristallinen Legierungen zeigen signifikant erhöhte Werte. Hoch Hf-haltige Ni-Ti-Hf HT-FGL (Hf Anteil > 20 At. %) sind auf konventionellem Wege nicht robust umformbar, zeigen jedoch deutlich verbesserte Materialeigenschaften, d.h. hohe Applikationstemperaturen und große Umwandlungsdehnungen, und sind damit exzellente Kandidaten für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Im Rahmen des beantragten Projekts sollen hoch Hf-haltige Ni-Ti-Hf Legierungen mittels selektivem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) gefertigt und über eine geeignete Wahl von Prozessparametern hinsichtlich Ihrer Mikrostruktur (Kornmorphologie, Textur) maßgeschneidert werden. EBM steht dabei im Fokus des Vorhabens, da zu erwarten ist, dass die Prozesscharakteristika des verwandten selektiven Laserschmelzprozesses in den Ni-Ti-Hf HT-FGL zu prozessinduzierter Rissbildung führen. Weiter sollen grundlegend die Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Wechselwirkungen hinsichtlich der funktionalen Effektgrößen charakterisiert werden. Es wird erwartet, dass die erzielbaren thermo-mechanischen Eigenschaften des EBM Ni-Ti-Hf die der konventionell hergestellten Ni-Ti-Hf (Hf < 20 At.-%) bei Weitem übertreffen. Da weder die Technologie der hoch Hf-haltigen Ni-Ti-Hf HT-FGL noch die additive Verarbeitung (EBM Ni-Ti-X Proben werden erstmalig hergestellt werden) der selbigen bisher in der verfügbaren Literatur umfassend nachgewiesen sind, ist es erforderlich grundlegende Prozessparameter für die EBM Prozessierung dieser Materialien zu entwickeln und resultierende Werkstoffzustände grundlegend zu charakterisieren. Die Forschung an additiv gefertigten Ni-Ti-Hf HT-FGL wird daher einerseits das Potential des Werkstoffs an sich und das Potential der EBM Technologie zur Verarbeitung von spröden HT-FGL Systemen offenbaren können. Mit diesem Forschungsansatz wird somit eine Strategie verfolgt, welche in der internationalen Community bisher nicht nachgewiesen ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen