Untersuchung des in-situ Ausscheidungsverhaltens in dichtereduzierten hochfesten κ-Phase (Fe,Mn)3AlCx verstärkten Hochmanganstählen (κ-HMnS) während der laserbasierten, additiven Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Haase; Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439900808

Im Bereich hochfester Werkstoffe für Strukturbauteile mit hohem Energieabsorptionsvermögen stellen Hochmanganstähle (HMnS) eine vielversprechende Werkstoffklasse dar. Dies begründet sich dadurch, dass HMnS infolge der Aktivierung weiterer Verformungsmechanismen, zusätzlich zu reinem Versetzungsgleiten, sowohl hohe Festigkeit als auch eine sehr hohe Verformbarkeit aufweisen. Trotz ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften finden HMnS bisher jedoch kaum industrielle Verwendung. Dies ist zum einen auf die relativ hohen Legierungskosten und zum anderen auf die energieintensive Nachbehandlung zur Reduzierung von Seigerungserscheinungen zurückzuführen. Eine Alternative zur konventionellen Herstellung (Stranggussroute) bieten die Verfahren der additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM). Besonders attraktiv ist hierfür das System Fe-Mn-Al-C mit verhältnismäßig hohen Mn- (ca. 20-30 Gew.-%), Al- (ca. 6-12 Gew.-%) und C-Gehalten (ca. 0.6-1.3 Gew.-%), da einerseits hohe Reduzierungen der Dichte auf ca. 6,6 g/cm3 realisiert und andererseits feinverteilte kohärente Kappa-Karbide zur Festigkeitssteigerung ausgeschieden werden können. In dem Projekt soll diese Legierungsvariante über die additive Fertigungsmethode des Laserauftragsschweißens (LMD - Laser Metal Deposition) hergestellt werden. Das wesentliche Ziel ist, die rasche Ausscheidungskinetik der Kappa-Karbidphase in der zu verwendenden Legierung X110MnAl30-8 für die in-situ Verstärkung des Materialsystems während des LMD-Prozesses zu verstehen und zu nutzen. Im Vordergrund steht die Erarbeitung grundlegender Erkenntnisse zum Erstarrungs- und Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit von den spezifischen Prozessbedingungen, der lokalen Metallurgie, der raschen Abkühlung und der zyklische Wiedererwärmung beim schichtweisen Aufbau. Die Prozessbedingungen werden dabei in sinnvollen Grenzen variiert und mit den entstehenden Mikrostrukturen korreliert. Die Untersuchung der ausgebildeten Strukturen reichen von der Nanoskala (feine Ausscheidungen, Segregationszustände), über die Mikro- (Kornstruktur, Bahnen- und Lagenübergänge) bis hin zur Makroskala (makroskopische mechanische Eigenschaften). Unter Variation relevanter Verfahrensparameter werden X110MnAl30-8 Proben mit unterschiedlichen Anteilen der Kappa-Karbidphase, welche durch die T-t-Zyklen während der additiven Probenfertigung bestimmt werden, aufgebaut. Durch Analyse der Mikrostruktur nach dem LMD-Prozess soll auf das Ausscheidungsverhalten sowie prozessbedingte Inhomogenitäten rückgeschlossen werden. Die mechanischen Eigenschaften werden mittels Härtemessungen sowie Zug- und Druckversuchen bestimmt. Weitere Mikrostruktur- und Bruchflächenanalysen der verformten Proben lassen dann auf die Verformungs- und Versagensmechanismen schließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen