Additive Fertigung von nanostrukturierten eutektischen NiAl-(Cr,Mo) in-situ Kompositwerkstoffen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Mathias Göken; Professorin Dr.-Ing. Carolin Körner; Dr.-Ing. Steffen Neumeier
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491441582

NiAl-(Cr,Mo)-in-situ-Kompositwerkstoffe sind interessante Leichtbauwerkstoffe für Hochtemperaturanwendungen im Bereich der Luftfahrt und Energieumwandlung. Herkömmliche Fertigungsverfahren mit niedrigeren Abkühlraten führen zu relativ groben Mikrostrukturen mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften (z. B. relativ geringe Festigkeit, Bruchzähigkeit und Kriechfestigkeit). Die elektronenstrahlunterstützte additive Fertigung hingegen ist ideal für die Herstellung nanoskaliger, eutektischer NiAl-(Cr,Mo)-Kompositwerkstoffe. Zur erfolgreichen, rissfreien Verarbeitung dieser Legierungen und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, werden in diesem Projekt die Legierungszusammensetzung, die Prozessparameter und die entsprechende Mikrostruktur optimiert. Geeignete Legierungen mit exakt-eutektischen Zusammensetzungen werden durch thermodynamische Berechnungen mittels einer neuen Datenbank in Verbindung mit einer multikriteriellen Optimierung ausgewählt. Die elektronenstrahlunterstützte additive Fertigung ermöglicht gleichzeitig extrem hohe lokale Temperaturen, Abkühlraten und Temperaturgradienten sowie steuerbare In-situ-Wärmebehandlungen und ist somit perfekt für die Herstellung nanostrukturierter NiAl-(Cr,Mo)-Legierungen mit maßgeschneiderten Mikrostrukturen. Zusätzlich zeigen die additiv hergestellten eutektischen Legierungen eine für NiAl-(Cr,Mo) neuartige, diskontinuierliche Ausscheidungsreaktion. In-situ-Wärmebehandlungen während des Elektronenstrahlschmelzens sollen diese absichtlich auslösen, um geordnete und gerichtete lamellare Mikrostrukturen zu erhalten. Erstmalig wird diese diskontinuierliche Ausscheidungsreaktion vorteilhaft genutzt, um Mikrostrukturen zu erzeugen, die lamellaren Titanaluminiden ähnlich sind. Die Kornmorphologie, die kristallographische Orientierung und die Gitterfehlanpassung zwischen beiden Phasen variieren mit den Verarbeitungsparametern und der Zusammensetzung der gewählten Legierungen. Hochflexible Scanstrategien ermöglichen die Generierung von isotropen sowie anisotropen Mikrostrukturen, die vollständig aus diskontinuierlich ausgeschiedenen Phasen bestehen. So ist zu erwarten, dass die optimierten NiAl-(Cr,Mo)-in-situ-Kompositwerkstoffe 50% höhere Festigkeitswerte als herkömmlich gegossene Materialien und eine Raumtemperaturbruchzähigkeit > 20 MPa m1/2 erreichen, welche vergleichbar mit der von intermetallischen TiAl ist, die derzeit in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Der Fokus liegt auf der Korrelation zwischen Prozessstrategien während des Elektronenstrahlschmelzens, der damit verbundenen Temperaturhistorie und der resultierenden Mikrostruktur. Endziel dieses Projekts ist, all dieses Wissen zu kombinieren, um die Verarbeitungsparameter und Mikrostrukturen mit ihren mechanischen Eigenschaften zu verknüpfen. NiAl-(Cr,Mo) dient dabei als Beispiel für eutektische In-situ-Kompositwerkstoffe, welche vom selektiven Elektronenstrahlschmelzens zukünftig verarbeitet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen