Legierungs- und mikrostrukturbasierte Charakterisierung und Verbesserung der Ermüdungslebensdauer von vakuumgelöteten AISI 304L/NiFeCrSiB-Verbindungen in korrosiven Umgebungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408904168

Im Mittelpunkt des Projekts steht die Erforschung der komplexen Beziehungen zwischen Legierung, Prozess, Gefüge und Eigenschaften von hochtemperatur-vakuumgelöteten Verbindungen aus metastabilem Austenit unter überlagerten Beanspruchungen wie der Korrosionsermüdung. Untersucht werden NiCrSiB-Lote mit Zusätzen von Fe und Mo, deren Anteile zusammen mit dem Cr-Anteil variiert werden. Bedingt durch die schmelzpunktsenkenden Elemente B und Si kommt es in Abhängigkeit der Fertigungsparameter und Probengeometrie zur Entstehung intermetallischer Sprödphasen in der Lötnaht, wie Cr-reichen Boriden in der Diffusionszone oder Ni-reichen Siliziden in der Lötnahtmitte. Die Bildung dieser intermetallischen Sprödphasen dominiert zumeist die Versagensmechanismen unter Korrosionsermüdung, da es sowohl zur Bildung von mikrogalvanischen Elementen kommt, als auch mikrostrukturelle Spannungskonzentrationen entstehen, die die Rissinitiierung und -ausbreitung unter Ermüdung fördern, wobei die Auswirkung abhängig von der Spannungsamplitude sind. Diese Phasenbildung variiert dabei stark mit der Legierungszusammensetzung und den Prozessparametern. Daher werden mittels Bildsegmentierung charakteristische Kennwerte für die Mikrostrukturen berechnet, die die Größe, Anzahl, Lage und Morphologie der Sprödphasen berücksichtigen und somit eine statistische Bewertung und Abschätzung der korrosiv-mechanischen Eigenschaften ermöglichen. Um die Auswirkungen der Legierungsvariationen auf die für die Korrosionsmechanismen wichtigen Oberflächenpotentiale zu verstehen, werden zudem KPFM-Messungen durchgeführt. Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der Korrosionsermüdungseigenschaften über ein gezieltes Mikrostrukturdesign. Hierfür dienen gezielte Anpassungen der Legierungselemente der Lote und verlängerte Haltezeiten, um die Sprödphasenanteile durch Diffusionsvorgänge zu reduzieren. Da es dabei zu einem unerwünschten Kornwachstum kommt, soll mit Hilfe eines zu entwickelnden Post-Prozesses die Korngröße wieder reduziert werden, ohne die Lötverbindungen zu schädigen. Simulationen mittels FEM werden unter anderem dazu beitragen ein tiefergehendes Verständnis über kritische Spannungskonzentrationen zu erlangen. Die generierten Erkenntnisse und entwickelten Methoden werden dazu beitragen, die Lebensdauer gelöteter Komponenten zu verbessern und leisten somit einen Beitrag zur Ressourceneffizienz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen