Erforschung der systemimmanenten Eigenschaften von vakuumgelöteten NiTi-Formgedächtnislegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492991758

Die übergeordnete Zielsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens ist durch eine prozesssichere und reproduzierbare Fertigung von NiTi-Formgedächtnisfügeverbunden mit einer höchstmöglichen Pseudoelastizität durch das Vakuumlöten charakterisiert. Aktuell wird zum artgleichen Fügen dieser Funktionswerkstoffe bzw. zum Herstellen von NiTi-/Stahl-Verbunden vorzugsweise das Laserschweißen eingesetzt, wobei in der Fügezone irreversible Dehnungen bedingt sind und großflächige Verbindungen nicht herstellbar sind. Durch das Vakuumlöten kann die Breite der Fügezone demgegenüber erheblich reduziert werden, wodurch beabsichtigt wird, den irreversiblen Dehnungsanteil zu minimieren. Des Weiteren werden in diesem Forschungsvorhaben vorzugsweise gezielt Lotwerkstoffe (Nb, Nb1Zr, Cu, Au65Cu, Ag26,5Cu3Ti) eingesetzt, die aufgrund der Lotmetallurgie des resultierenden Lötgutgefüges pseudoelastische Eigenschaften der Fügezone ermöglichen. Aufgrund der Notwendigkeit der ganzheitlichen Wärmebehandlung des Grundwerkstoffes beim Vakuumlöten wird zusammen mit dem Lötprozess (830-1180 °C) ein Lösungsglühprozess des Grundwerkstoffes durchgeführt. Dadurch werden zuvor ausgeschiedene und die Pseudoelastizität beeinträchtigende Phasen (Ni4Ti3) im Ni-Mischkristall in Lösung gebracht und durch eine zügige Überdruckgasabschreckung beim Abkühlen in der erneuten Ausscheidung unterdrückt. Durch den vergleichsweise trägen Vakuumofenprozess erfolgt ein Kornwachstum des ursprünglich ultrafeinkörnigen Grundwerkstoffes, wodurch ebenfalls irreversible Dehnungsanteile entstehen können. In diesem Forschungsvorhaben wird erstmalig ein kaltverfestigter NiTi-Grundwerkstoffzustand zum Löten verwendet. Durch die zunächst stattfindenden Erholungsprozesse wird dadurch eine signifikante Hemmung des Kornwachstums und damit eine deutlich bessere Pseudoelastizität erwartet. Die eigenen Vorarbeiten belegen sowohl für den regulären als auch für den kaltverfestigten Ausgangszustand ein hohes Maß an Pseudoelastizität nach dem beabsichtigten Wärmebehandlungszyklus beim Löten. Das Forschungsvorhaben adressiert dabei artgleiche NiTi/NiTi und artungleiche NiTi/Stahl-Verbindungen gleichermaßen, wobei für letztere aufgrund der Bildung spröder FeTi-Phasen an der Grenzfläche der Fügezone zum Stahl nur in wenigen veröffentlichten Arbeiten ein pseudoelastisches Verhalten der Verbindung erzielt wurde. Durch den Einsatz einer Diffusionssperre aus dem hochschmelzenden Refraktärmetall Wolfram wurde die Bildung dieser Sprödphasen erfolgreich vermieden. Eine zentrale Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist durch eine Korrelation der mikrostrukturellen Fügeverbundeigenschaften (Fügezonenbreite, Mikrohärte, E-Modul, Phasenzustand, Korngröße) mit dem pseudoelastischen Verhalten der wärmebehandelten Grundwerkstoffe und der gelöteten Verbindungen charakterisiert. Dadurch werden erstmalig die notwendigen Stellgrößen für eine Optimierung der Pseudoelastizität von NiTi-Fügeverbunden systematisch erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen