Invar prozessiert über selektives Laserstrahlschmelzen – Gezielte Beeinflussung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten über prozessinduzierte Defekte und Eigenspannungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456078747

Die Fe-36%-Ni Legierung Invar ist bekannt für ihren geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) sowie gute mechanische Eigenschaften bei kryogenen Umgebungstemperaturen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Invar oft in Komponenten eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit und Formstabilität über einen weiten Temperaturbereich erfordern. Da es sich bei Invar um ein Material relativ geringer Festigkeit handelt, gestaltet sich die konventionelle Verarbeitung von komplexen Geometrien mittels spanender Bearbeitung als besonders anspruchsvoll und kostenintensiv. Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) ist als endkonturnahes Herstellungsverfahren besonders gut für Werkstoffe geeignet, die konventionell schwer zu bearbeiten sind, und stellt somit eine vielversprechende Alternative dar. Eine Analyse des Stands der Technik macht deutlich, dass die allgemeine Verarbeitbarkeit von Invar-Komponenten durch das SLM-Verfahren bereits eindeutig nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus zeigen erste Ergebnisse, dass eine gezielte Beeinflussung des Wärmeausdehnungskoeffizienten durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter aufgrund prozessbedingter Defekte sowie Eigenspannungen möglich ist, systematische Untersuchungen der Zusammenhänge von Defekten, Eigenspannungen, Mikrostruktur und CTE bisher aber nicht zu verzeichnen sind. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist aus dieser Forschungslücke abgeleitet: die Erarbeitung eines tiefergehenden Verständnisses über den Zusammenhang zwischen prozessinduzierten Defekten, Eigenspannungen und dem thermischen Ausdehnungsverhalten von SLM-gefertigtem Invar. Durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter sowie die Analyse der resultierenden Defekt- und Mikrostrukturen (durch Rasterelektronenmikroskopie und Computertomographie) und Wärmeausdehnungskoeffizienten sollen in Abhängigkeit der Volumenenergie erzeugte Invar-Zustände mit gezielt minimierten CTE-Werten ermittelt werden. Weiter soll für diese Zustände durch einen Vergleich zwischen As-Built- und spannungsarm-geglühten Proben der Beitrag der prozessinduzierten Eigenspannungen mit Hilfe röntgenografischer Spannungsanalysen quantitativ ermittelt und bewertet werden. Um den Einfluss der Defekte und Eigenspannungen auf das mechanische Verhalten analysieren zu können, werden die CTE-minimierten Zustände darüber hinaus einer umfassenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Da viele Invar-Komponenten in der Praxis zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, wird neben dem Verhalten unter monotoner Last ebenfalls das Ermüdungsverhalten im Kurzzeitfestigkeitsbereich untersucht. Abschließend werden fraktografische Analysen durchgeführt und zusammen mit den Ergebnissen aus den Ermüdungsversuchen betrachtet, um letztendlich den Weg für eine sichere und zuverlässige Bewertung der strukturellen Integrität der CTE-minimierten SLM-Invar Zustände zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen