Schwefelhaltige metallische Massivgläser auf Ti-Basis für das Pulverbett-basierte Schmelzen von Metallen mittels Laser

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Busch; Dr.-Ing. Stefan Kleszczynski
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503259970

Das Pulverbett-basierte Schmelzen von Metallen (PBF-LB/M) hat sich als vielversprechende Technologie zur Überwindung der Größen- und Komplexitätsbeschränkungen von metallischen Gläsern (engl. Bulk Metallic Glasses – BMG) etabliert. Im Vergleich zu kristallinen Legierungen zeichnen sich BMGs durch eine außergewöhnlich hohe Elastizitätsgrenze von etwa 2 % in Kombination mit hoher Festigkeit und Härte aus. Ihr Eigenschaftsprofil macht sie zu potenziellen Kandidaten für die Substitution von Werkstoffen in hochbelasteten Anwendungen. Die kürzlich entdeckten schwefelhaltigen TiZrCuS-Legierungen bieten eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine fast doppelt so hohe Festigkeit als Ti6Al4V. Ihre geringe kritische Gussdicke von etwa 1 mm liegt jedoch am Rande der Definition eines massiven metallischen Glases (1 mm oder mehr). Dies bedeutet, dass herkömmliche Gussverfahren für diese Legierung nicht geeignet sind. TiZrCuS-Legierungen weisen bei niedrigen Temperaturen eine beachtliche thermische Stabilität gegen Kristallisation auf, insbesondere im Bereich der unterkühlten Flüssigkeit. Dies macht das System robust gegen Kristallisation unter zyklischer thermischer Belastung, die beim PBF-LB/M-Verfahren auftritt. Hohe Sauerstoffverunreinigungen und begrenzte Kenntnisse über die thermische Materialhistorie stellen jedoch eine Herausforderung für die amorphe Erstarrung während des PBF-LB/M-Prozesses dar. Auf Basis der Erkenntnisse der ersten Förderphase zielt das vorliegende Vorhaben darauf ab, die Einflüsse der Pulvermaterialsynthese und der Legierungszusammensetzung vertieft zu beleuchten. Dies umfasst vor allem die materialseitig bedingte Ausbildung von Sauerstoffverunreinigungen, die Glasbildungsfähigkeit, die mechanische Beständigkeit gegenüber Prozess-induzierten Defekten und die daraus resultierende Verarbeitbarkeit im PBF-LB/M-Prozess. Hierzu werden weiterführende experimentell und simulative Untersuchungen der thermisch transienten Laser-Material-Wechselwirkung durch Hochgeschwindigkeitsbildgebung, Quotientenpyrometrie und FEM-Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Hinblick auf die resultierenden thermodynamischen, strukturellen und technologischen Eigenschaften der hergestellten Proben analysiert. Das hierbei gewonnene physikalische Eigenschaftsprofil kann abschließend die technologische Relevanz von glasbildenden, PBF-LB/M-verarbeiteten TiZrCuS-BMGs aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Jan Wegner