In-situ Modifikation der Mikrostruktur von Duplexstählen beim Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496140019

Der vorliegende Folgeantrag knüpft an die Ergebnisse der ersten Förderperiode an. Darin wurde untersucht, welchen Einfluss die Verarbeitungsbedingungen auf das Phasenverhältnis und die daraus resultierenden Materialeigenschaften von Duplexstahl (DSS) haben, der mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) gefertigt wird. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass im Rahmen des PBF-LB/M-Prozesses eine lokale in-situ-Duplex-Phasenbildung ohne nachträgliche Wärmebehandlung grundsätzlich möglich ist und somit einen signifikanten Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik darstellt. Der erzielte Austenitanteil bleibt jedoch bislang hinter dem für eine homogene Duplex-Mikrostruktur erforderlichen Verhältnis von etwa 50:50 zwischen Austenit und Ferrit zurück und ist räumlich noch begrenzt. Eine präzise Einstellung der Phasenverhältnisse, wie sie für die Substitution konventioneller Verarbeitungsrouten bei komplexen DSS-Bauteilen notwendig wäre, ist derzeit somit noch nicht realisierbar. Ziel der zweiten Förderperiode ist die Erforschung geometriespezifischer Prozessstrategien zur Herstellung komplexer Bauteile mit einer frei definierten Duplex-Mikrostruktur. Diese Strategien bauen auf den bisherigen Erkenntnissen auf und zielen darauf ab, das resultierende Phasenverhältnis gezielt zu steuern. Die erste Prozessstrategie umfasst die Erzeugung homogener Duplex-Mikrostrukturen in primitiven Proben durch gezielte Wärmeakkumulation – realisiert durch geometrische Restriktionen zur lokalen Wärmestauung in Kombination mit einer Substratplattenvorheizung auf 800 °C. Die zweite Prozessstrategie zielt auf die lokale Steuerung der Phasenzusammensetzung durch eine zusätzliche in-situ-Wärmebehandlung mittels defokussiertem Laserstrahl. Diese Nachbelichtung reduziert die Abkühlrate und erhöht die kumulierte Dauer oberhalb der Austenitumwandlungstemperatur. Dies soll zu einer verstärkten Austenitausscheidung führen. Durch die präzise Einstellung der Nachbelichtungsparameter kann jede Schicht direkt nach der Erstarrung erneut erwärmt werden, ohne bereits erstarrte Bereiche wieder aufzuschmelzen. Dies ermöglicht eine gezielte Mikrostrukturkontrolle. Unterstützt wird dieser Ansatz durch Low-Fidelity-Simulationen und thermische Prozessüberwachung, um ein erneutes Schmelzen des wärmebehandelten Bereichs zu verhindern. Zunächst wird eine gleichmäßige Phasenzusammensetzung in kubischen Proben angestrebt. Darauf aufbauend erfolgt die gezielte Anpassung des Phasenverhältnisses durch definierte Steuerung der Erstarrungs- und Nachbelichtungsparameter. Das finale Ziel ist die Übertragung der entwickelten Prozessstrategien auf anwendungsrelevante Bauteile mit unterschiedlicher geometrischer Komplexität und entsprechend variierendem Potenzial zur Wärmeakkumulation. Anhand dieser Bauteile werden die Strategien zur gezielten Einstellung der Duplex-Mikrostruktur validiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend in eine Handlungsempfehlung zusammengefasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Lova Chechik, Ph.D.