Einstellung von Mikrostruktur und Degradationsverhalten oxidpartikel-modifizierter Fe-Legierungen durch selektives Elektronenstrahlschmelzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Guido Grundmeier; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413259151

Förderperiode eins betrachtete die Prozessierbarkeit von reinem sowie mittels CeO2 und Fe2O3 modifiziertem Eisen über das Pulverbett-Elektronenstrahlschmelzen (engl.: Electron Beam Powder Bed Fusion, E-PBF, auch PBF-EB/M). Über minimale Anteile der Oxidpartikel sollten die Mikrostruktur und die mechanischen und korrosiven Eigenschaften beeinflusst werden. Quasistatische und zyklische mechanische Untersuchungen zeigten, dass dies weitreichend möglich ist und durch eine unerwartet hohe Schadenstoleranz Ermüdungsfestigkeiten erreicht werden können, die denen von warmgewalzten Eisen deutlich überlegen sind. Diese Effekte waren insbesondere bei den CeO2-Modifikationen zu beobachten, trotz dass in diesen Zuständen prozessbedingt eine hohe Defektdichte vorlag. Daher wird eine effektive Festigkeitssteigerung in Folge dieser Oxide vermutet. Ergänzende Untersuchungen zeigten auch, dass ein lokal saures Milieu in Poren eine Deckschichtbildung vermeiden und das Material somit höhere Korrosionsraten erreichen kann. Da trotz der hohen Defektdichte positive Effekte in Folge der CeO2-Partikel festgestellt werden konnten und das Material ferner eine hohe Schadenstoleranz gegenüber diesen Defekten bietet, können somit gezielt eingebrachte Poren als weitere Stellgröße zur Einstellung der Korrosionsrate genutzt werden. Folglich müssen in Förderperiode zwei E-PBF-Prozessrouten gefunden werden, über die Eisenpulver mit noch höheren CeO2-Anteilen verarbeitet werden können. Um eine Prozessstabilität schnell zu erreichen, soll die elektrische Leitfähigkeit des Pulvers berücksichtigt werden. Nachdem dichtes Material reproduzierbar verarbeitet werden kann, soll Probenmaterial mit hinsichtlich Größe, Form und Verteilung gezielt eingestellter Porosität gefertigt werden. Dies stellt einen weiteren Freiheitsgrad zur Einstellung der Materialeigenschaften dar, ist konstruktiv nur über additive Fertigungsverfahren und werkstoffseitig nur dank der sehr hohen Schadenstoleranz möglich. Über computertomographische Untersuchungen während der Belastung können Poren, die ansonsten zu klein für eine Erfassung sind, aufgedehnt und analysiert werden. Über einen eigens dazu entworfenen Aufbau sollen die korrosiven Vorgänge in den Poren untersucht werden. Ergänzend zu hochzyklischer (HCF) mechanischer und korrosiver Belastung wird mittels niedrigzyklischen (LCF) und bruchmechanischen Untersuchungen das Risswachstum ausgehend von den eingebrachten Poren charakterisiert. Schließlich soll ein Lebensdauermodell aufgestellt werden, das den Rissfortschritt in Abhängigkeit von Materialkonstanten, der Anrisslänge und einem Korrosionsfaktor abbildet. Das erstellte Modell soll dazu dienen, das Verhalten auch anderer Werkstoffe unter hochkomplexen Belastungsszenarien voraussagen zu können, um schließlich über die gezeigten Verknüpfungen additiv gefertigte, bioresorbierbare Implantate individuell auf den Einsatzort spezifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen