Einfluss einer Si3N4 Pulveradditivierung auf die PBF-LB-Prozessierbarkeit nichtrostender Stähle und die Mikrostrukturentwicklung beim PBF-LB sowie bei einer anschließenden HIP-URQ Nachverdichtung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Sebastian Weber
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493947509

Aufgrund seiner geometrischen Flexibilität und einem hohen Ressourceneffizienzpotenzial findet der powder bed fusion- laser beam-Prozess (PBF-LB) sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft großes Interesse. Die Auswahl verarbeitbarer Eisenbasiswerkstoffe ist jedoch auf Legierungen mit einer geringen Kaltrissneigung beschränkt, bedingt durch starke Temperaturgradienten und Eigenspannungsentstehung während des PBF-LB-Prozesses. Eine Möglichkeit, die eingeschränkte Verarbeitbarkeit von Standardgüten zu überwinden und die Anzahl verarbeitbarer Materialien zu erweitern, kann in der Pulveradditivierung gefunden werden. Das Hauptziel dieses Vorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis der Additvierung von Stahlpulver mit Siliziumnitridpartikeln (Si3N4) im Kontext der Herstellung Stickstoff (N) legierter nichtrostender Stähle zu generieren. Die Untersuchungen umfassen den Einfluss der Additivierung auf die rheologischen Pulvereigenschaften und das Reflexionsverhalten durch Experimente und DEM-Simulationen. Die Prozessierbarkeit mittels PBF-LB und anschließendem heiß-isostatischen Pressen mit Schnellabschreckung (HIP-URQ) sowie die damit einhergehende Mikrostrukturentwicklung wird durch skalenübergreifende Mikrostrukturanalysen und Diffusionssimulationen charakterisiert. In diesem Kontext ist das Auflösungsverhalten sowie die mögliche Wiederausscheidung der Si3N4-Nitride als wesentlicher Einfluss auf das Gefüge und somit die mechanischen und chemischen Eigenschaften von besonderem Interesse. Das Ziel des gewählten Ansatzes ist die Vermeidung einer vollständigen Auflösung der Additivpartikel beim PBF-LB, da dies zu signifikantem Ausgasen von rekombiniertem N2 aus der Stahlschmelze und somit zu Porenbildung führen kann. Stattdessen wird eine vollständige Auflösung der Si3N4-Partikel während des HIP-Prozesses (mit URQ) angestrebt, wobei eine diffusionsgetriebene Homogenisierung der Elemente N und Si innerhalb der Stahlmatrix und somit die Einstellung eines N legierten Stahls erreicht werden soll. Mit diesem Ansatz des „reaktiven Additivierens“ wird zum einen der potenziell vorteilhafte Einfluss von Additivpartikeln auf die Pulvereigenschaften und somit auf die Prozessierbarkeit adressiert. Zum anderen wird die hohe N Löslichkeit der Austenitphase im festen Zustand gezielt zur Einbringung nennenswerter N Gehalte in den Stahl und somit zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften ausgenutzt, welche es durch Korrosionsprüfung sowie statische und dynamische mechanische Prüfung zu evaluieren gilt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2122: Neue Materialien für die laserbasierte additive Fertigung