Untersuchung der Laser-Material-Wechselwirkung von funktionalisierten diamantimprägnierten Metallmatrix-Verbunden im Laser-Strahlschmelzprozess

• Antragsteller: Dr.-Ing. Stefan Kleszczynski; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445942492

Ziel des Projekts ist die Generierung eines grundlegenden Verständnisses von Wechselwirkungen, die beim Schmelzen und Erstarren diamantverstärkter Metall-Matrixverbunde (DMMC) während des Laser-Powder-Bed-Fusion-Prozesses (PBF-LB/M) auftreten. DMMCs werden in dem hier verfolgten Ansatz aus einer Mischung von Diamanten und Stahlpulver (1.4404) erzeugt. Da Diamanten bei ca. 720°C graphitisieren, werden Arc-PVD Beschichtungen auf die Diamant-Partikel appliziert und der Einfluss der Laser-Einwirkung auf die Graphitisierung untersucht. Die metallischen Beschichtungen werden zudem genutzt, um karbidische Grenzflächenreaktionen zwischen den Diamanten und der metallischen Matrix hervorzurufen, wodurch einerseits starke Bindungen und andererseits eine Diffusionsbarriere erzeugt wird. In der ersten Förderphase konnten Mischungen von Edelstahlpulver und beschichteten Diamant-Partikeln erfolgreich im PBF-LB/M-Prozess verarbeitet werden. Mithilfe von Pyrometrie und High-Speed-Bildgebung konnten die thermischen Zyklen während des Aufschmelzens und die resultierende Schmelzbadausprägung charakterisiert und gestützt durch eine thermische Simulation des additiven Fertigungsprozesses eine signifikante Verbesserung des mechanischen Eigenschaftsprofils der hergestellten DMMC-Materialien erreicht werden. Vereinzelt sind innerhalb des Probekörper noch Graphitisierungseffekte und eine von agglomerierten Diamantpartikeln ausgehende Rissbildung erkennbar. In der zweiten Förderphase soll diese Problemstellung durch eine thermisch-fluiddynamische simulative Beschreibung des Aufschmelzprozesses adressiert werden. Hierbei soll insbesondere die Partikelmigration der Diamanten im Schmelzbad abgebildet und durch experimentelle Analysen validiert werden. Letzteres wird durch eine erweiterte High-Speed-Videografie in Kombination mit der bereits erarbeiteten Methodik zur in-situ-Pyrometrie umgesetzt werden. Die werkstofftechnische Charakterisierung der hergestellten DMMCs fokussiert sich hierbei vor allem auf die Analyse der interpartikulären Kohäsionskraft der beschichteten Diamanten, des Haltekraftkoeffizienten, der Biegefestigkeit sowie auf die strukturelle Einbindung und Integrität der Diamanten innerhalb der Metallmatrix. Anhand der Ergebnisse werden Rückschlüsse auf die Wechselwirkung zwischen Material, resultierendem Prozessverhalten und den mikrostrukturellen Eigenschaften gezogen und für die Ableitung einer Prozessstrategie zur Erzeugung definiert gradierter DMMC-Bauteile genutzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Wojciech Kowalczyk; Dr.-Ing. Jan Wegner