Invar prozessiert über selektives Laserstrahlschmelzen – Gezielte Beeinflussung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten über prozessinduzierte Defekte und Eigenspannungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das zentrale Ziel des vorgestellten Projekts bestand darin, die Einflüsse von prozessbedingten Defekten und Eigenspannungen auf das Wärmeausdehnungsverhalten von mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen gefertigtem Invar systematisch zu erforschen und darüber hinaus den Einfluss der Defekte und Eigenspannungen auf die resultierende Mikrostruktur sowie die mechanischen Eigenschaften unter monotoner und zyklischer Last zu analysieren. Dazu wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan erstellt, der 72 Parameterkombinationen umfasst und entsprechend Proben mit hoher und niedriger Dichte beinhaltet. Die 72 Proben wurden zunächst hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, von engl. coefficient of thermal expansion) charakterisiert. Im Anschluss wurde die Mikrostruktur für sechs ausgewählte Parameterkombinationen mit niedrigem CTE und unterschiedlichen relativen Dichten mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie untersucht. In weiteren Analysen wurde für diese sechs Zustände der Einfluss prozessbedingter Eigenspannungen auf das CTE-Verhalten auf Basis von über Röntgendiffraktometrie ermittelten Eigenspannungstiefenverläufen bewertet. Abschließend wurden die im Fokus stehenden Zustände noch hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Ermüdungseigenschaften, analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine starke Korrelation zwischen relativer Dichte und CTE, über die an verschiedenen Stellen in der Literatur berichtet wurde, so nicht besteht. In Abhängigkeit der verwendeten Volumenenergien sind die ausgewählten Parameterkombinationen durch unterschiedliche Mikrostrukturen hinsichtlich Kornmorphologie und -orientierung sowie auftretenden Defektarten charakterisiert. Eine Korrelation zwischen Defektart und CTE-Verhalten konnte jedoch nicht abgeleitet werden. Im Gegensatz dazu konnte ein positiver Einfluss prozessinduzierter Eigenspannungen auf den Invar-Effekt nachgewiesen werden. Entsprechend führt eine mehrstufige Wärmebehandlung, die in vollständigem Abbau der in allen Zuständen vorhandenen Zugeigenspannungen resultiert, gleichzeitig zu einer Schwächung des Invar-Effekts. Das Ermüdungsverhalten wird signifikant durch die relative Dichte der jeweiligen Zustände dominiert, wobei bereits Proben mit einer erhöhten Dichte aufgrund der Schadenstoleranz des Werkstoffs bezüglich der Lebensdauer mit nahezu vollständig dichten Referenzproben aus anderen Studien vergleichbar sind. Die Eigenspannungen scheinen das Ermüdungsverhalten in dem untersuchten Lebensdauerbereich nicht nachhaltig zu beeinflussen. Zusätzlich zu den oben zusammengefassten Ergebnissen wurden im Rahmen des Projekts weitere Untersuchungen an Invar-Proben gefertigt über drahtbasiertes Auftragschweißen durchgeführt, die nicht in den Arbeitspaketen des ursprünglichen Antrags aufgeführt waren. Hier standen die Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie die strukturelle Integrität von zwei unterschiedlichen Zuständen (Lichtbogen und Laser als Energiequelle) im Fokus der Untersuchungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of Defects and Microstructure on the Thermal Expansion Behavior and the Mechanical Properties of Additively Manufactured Fe-36Ni. Materials, 17(17), 4313.
Kahlert, Moritz; Wegener, Thomas; Laabs, Leonard; Vollmer, Malte & Niendorf, Thomas
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On the cyclic deformation behavior of wire-based directed energy deposited Fe-Ni Invar alloy. Materials Science and Engineering: A, 918, 147403.
Wegener, Thomas; Pramanik, Sudipta; Niendorf, Thomas & Günther, Johannes
