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

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann; Professor Dr.-Ing. Gerd Witt
• Fachliche Zuordnung: 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 (LPBF) auftreten. DMMCs werden in dem hier verfolgten Ansatz aus einer Mischung vonDiamanten 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 Beschichtungenwerden zudem genutzt, um karbidische Grenzflächenreaktionen zwischen den Diamanten und der metallischen Matrix hervorzurufen, wodurch einerseits starke Bindungen und andererseits eine Diffusionsbarriere erzeugt wird. Die Applikation hochschmelzenderMo- und W-Schichten schützt, bei angepasster Prozessführung und geeigneter Schichtdicke, die Diamantpartikel vor direktem Kontakt mit der Schmelze. Matrixmaterialverwandte Schichten, wie Ni, Cr oder Ti dienen als diffusionsfördernde Schmelzphasen, welche die Anbindung zur Matrix fördern. Um beide Effekte auszunutzen, werden Multilayer-Schichten synthetisiert, welche sowohl das hochschmelzende Metallals auch die Schmelzphase kombinieren. Darüber hinaus wird das Stahlmatrixpulver (d50 ≤ 63 μm) mit CuSn-Pulver unterschiedlicher Partikelgrößen (0,035-44 μm) durch mechanisches Legieren additiviert. Neben einer erhöhten Duktilität des Bauteils, wird durch diesen Ansatz der Schmelzpunkt der Pulvermischung erniedrigt, wodurch Flüssigphasensintern bei verringerter Laserleistung möglich ist und die Diamanten niedrigeren Temperaturen ausgesetzt werden. Ein weiterer zentraler Aspekt dieses Projekts beschäftigt sich mit der Laser-Pulver-Interaktion und inwiefern die Funktionalisierung der Partikeloberflächen die Bindungsmechanismen beim LPBF-Verfahren beeinflussen. Die systematische Analyse der Prozesseinstellgrößen und –strategien erfolgt experimentell durch Aufschmelzversuche von Linien und Primitiv-Geometrien. Mithilfe von Pyrometrie werden in-situ Temperaturmessungen durchgeführt, welche die thermische Historie in der Wärmeeinflusszone (WEZ) dokumentiert. Das übergeordnete Ziel hierbei besteht darin die tolerablen Temperatur-Spitzenwertenund –Gradienten systematisch zu ermitteln und so die grundlegenden Zusammenhänge der Graphitisierung bei Schnellerstarrungsvorgängen zu verstehen. Neben der Messung der Temperaturzyklen werden durch eine zusätzliche bildgebende und zeitlich hochauflösende Analyse des Aufschmelzprozesses die Schmelzbaddynamik und -verweilzeit sowie die hierdurch hervorgerufene Partikelbewegung charakterisiert. 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