Einflüsse der Stickstoffzugabe zu aluminiumlegierten nichtrostenden Stählen über die additive Fertigung sowie Festkörpernitrieren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Javad Mola, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Professorin Dr.-Ing. Olena Volkova
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433662460

In der ersten Projektphase wurden nichtrostende Stähle mit bis zu 6 Gew.-% Aluminium in additiv gefertigten und konventionell gegossenen Zuständen untersucht. Eine der im ersten Projektzeitraum betrachteten Legierungen mit circa 4,5 Gew.-% Al wies eine Duplex-Matrix-Mikrostruktur aus Austenit und B2-verstärktem Ferrit auf. Aufgrund ihrer geringen Dichte und der hervorragenden Kombination aus Festigkeit und Duktilität wird diese Legierung als zentrale Legierung in der zweiten Projektphase betrachtet. Um die positiven Effekte der Stickstoffzugabe zu nichtrostenden Stählen im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit, die Mischkristallverfestigung und die gezielte Erhöhung des Austenitanteils als schadenstolerante Phase zu nutzen, zielt die zweite Projektperiode darauf ab, die Möglichkeiten der N-Zugabe für die zu untersuchende Legierung zu bewerten. Stickstoff kann zusätzlich die Verschleißfestigkeit erhöhen, indem er Nitride, insbesondere AlN, bildet. Die N-Zugabe erfolgt sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand in verschiedenen Abschnitten der Prozesskette der additiven Fertigung. Das In-situ-Nitrieren im flüssigen Zustand umfasst das Einbringen von N in den Ausgangsgusszustand durch Erhöhen des Stickstoffpartialdrucks während des Schmelzens, das Nitrieren der Schmelze während der Gasverdüsung und das Nitrieren im Schmelzpool bei der laserbasierten additiven Fertigung im Pulverbett (PBF-LB/M). Untersuchungen in präzise kontrollierten Gasumgebungen ermöglichen es, Chancen, Herausforderungen und Einschränkungen der In-situ-Nitrierung von Al-legierten nichtrostenden Stählen zu bewerten und gleichzeitig die Vorteile der etablierten Prozessrouten der additiven Fertigung zu nutzen. Das Nitrieren im festen Zustand wird zum direkten Vergleich durch Hochtemperatur-Lösungsnitrieren (HTSN) durchgeführt, um von einer beschleunigten Diffusion zu profitieren und gleichzeitig die Bildung schädlicher Phasen zu unterdrücken, die andernfalls eine anschließende Lösungsglühbehandlung erfordern würden. Ein Vergleich des HTSN-Verhaltens für Materialien im konventionellen Gusszustand und im PBF-LB/M Zustand ermöglicht die Klärung der Auswirkungen mikrostruktureller Defekte, die für PBF-LB/M charakteristisch sind, auf die Oberflächennitrierungsreaktion der Legierung. Darüber hinaus wird der Gradient der N-Konzentration und der Mikrostruktur in der Nähe der HTSN-Oberfläche einen direkten Vergleich mit der Mikrostruktur von im flüssigen Zustand nitrierten Zuständen ermöglichen. Es wird erwartet, dass das Vorkommen von AlN in nitrierten Legierungen, insbesondere in der Randzone der im festen Zustand nitrierten Proben, die Verschleißfestigkeit erhöht. Dementsprechend umfasst das Arbeitsprogramm tribologische Untersuchungen zur Beurteilung der Verschleißfestigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit, als eine weitere wichtige anwendungsbezogene Anforderung an nichtrostende Stähle, wird ebenfalls durch klassische Korrosionsversuche und kombinierte Methoden untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marcel A. J. Somers