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Projekt
Nanopartikel-Additivierung von Pulvern für die laserbasierte additive Fertigung von oxiddispersionsgehärteten Stählen: eine gemeinsame experimentelle und numerische Studie
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr. Bilal Gökce; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493889809
Die pulverbasierte laseradditive Fertigung (LAM) ist eine potenziell bahnbrechende Technologie für die Herstellung von 3D-Teilen aus oxiddispersionsgehärtetem (ODS) Stahl. Allerdings sind die ODS-Pulver, die derzeit als Ausgangsmaterial für die LAM-Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Directed Energy Deposition (DED) verwendet werden, für die Laserbearbeitung ungeeignet und verhindern die weitere Entwicklung dieser Technologien. Daher zielt das vorgeschlagene Verbundprojekt darauf ab, ein neues Pulver auf Eisen-Chrom-Basis für LAM zu entwickeln, indem eine neuartige und vielseitige Methode zur Dispersion von Nanopartikeln auf Metallpulvern eingeführt wird. Kolloidale Oxid-Nanopartikel werden durch gepulste Laserfragmentierung in Flüssigkeiten hergestellt und über pH-gesteuerte elektrostatische Wechselwirkung an Stahlpulverträger adsorbiert. Nach der LAM-Verarbeitung dieser Pulver sollten die gebildeten Nanoinklusionen das gefertigte Bauteil durch den Orowan-Mechanismus verstärken. Die Größe und Verteilung dieser Nanoinklusionen hängt jedoch stark von der Schmelzbadphysik und der Nanopartikelkinematik im Schmelzbad ab und ist somit empfindlich gegenüber dem Verarbeitungsverfahren (LPBF oder DED) und den Laser-Prozessparametern. Zum Verständnis und zur Kontrolle der Nanopartikel-Dispersion während der LAM werden nicht-isotherme Phasenfeld-Schmelzbad-Simulationen in Kombination mit einem neuartigen Nanopartikel-Kinematik-Modell entwickelt, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Nanopartikel und deren Einfluss auf die gekoppelte Physik, wie z.B. Massen-/Wärmetransfer, Schmelzbad-Dynamik und Wiederverfestigung, zu untersuchen. Die Finite-Elemente-Implementierung der gekoppelten Modelle ermöglicht numerische Simulationen der Schmelz-Erstarrungs-Kinetik und der Mikrostruktur auf räumlich und zeitlich aufgelösten Schmelzpool-Skalen. Eine detaillierte Materialanalytik auf der Nano-, Mikro- und Makroskala wird auch auf die Kette der Materialsynthese und deren Veränderung vor bzw. nach der LAM angewendet, um das Materialdesign sowohl mit seiner Verarbeitbarkeit als auch mit den resultierenden Bauteileigenschaften der Legierung zu korrelieren. Die simulierten und charakterisierten mikrostrukturellen Informationen, wie z.B. der Abstand und die Größe der Nanoinklusionen und insbesondere deren Abhängigkeit von den Pulverkompositen und der Prozessart und -parameter, werden weiter genutzt, um die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Materialien zu optimieren. Aufgrund des grundlegenden materialwissenschaftlichen Charakters unseres Ansatzes ist die potenzielle Auswirkung unseres Projekts nicht auf ODS-Stähle beschränkt. Es wird auch zu einem mechanistischen Verständnis beitragen und die Frage klären wie man Pulver herstellen kann, die zu einer Materialverfestigung durch hochdisperse Nanoinklusionen innerhalb eines LAM-gefertigten Bauteils führen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Mitverantwortlich
Baptiste Jean Germain Gault, Ph.D.
