Einfluss von Eigenspannungen auf das Rissausbreitungsverhalten in mikrostrukturell gradierten Proben hergestellt über laserbasierte additive Fertigung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505457585

Bei der additiven Fertigung mittels SLM (Selective Laser Melting), das nach Norm als PBF-LB/M (Laser Based-Powder Bed Fusion of Metals) bezeichnet wird, kann bei der Bauteilfertigung durch die geeignete Wahl der Prozessparameter eine Gradierung von Gefüge und Mikrostruktur vorge-nommen werden. Dabei ist es möglich, diese Gradierung gezielt auf die Bedürfnisse, die aus der Bauteilanwendung gegeben sind, zu adaptieren, so dass komplexe Bauteilgeometrien mit lokal an-gepassten Mikrostrukturgradienten gefertigt werden können. Über die lokale Texturierung lässt sich dabei gezielt die richtungsabhängige Festigkeit und Steifigkeit lokaler Bauteilbereiche an die Bean-spruchungssituation anpassen. In Vorarbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass sich auch das Er-müdungs- und Rissausbreitungsverhalten der Werkstoffzustände über die Gradierung der Mikro-struktur nachhaltig beeinflussen lässt. Weitestgehend unklar ist dabei die Rolle der herstellungspro-zessinduzierten lokalen Eigenspannungsverteilungen auf das örtliche Rissausbreitungsverhalten. Dabei ist im Speziellen der Einfluss der Eigenspannungen und ihrer Entwicklung auf die Interaktion zwischen Riss und Grenzfläche nicht verstanden. Ziel des in Kooperation durchgeführten Vorhabens ist die Bewertung der strukturellen Integrität von PBF-LB/M Bauteilen, für die über eine adaptierte Prozessführung gezielt unterschiedliche Gra-dierungen realisiert werden. Diese Bewertung erfolgt über die Anwendung von bruchmechanischen Konzepten unter Berücksichtigung von Mikrostruktur und Eigenspannungen. Als Modellwerkstoff für die systematischen Untersuchungen dient zunächst der einphasige, austenitische Stahl 316L. Im weiteren Verlauf des Projektes erfolgt die Übertragung auf die Ni-basis Legierung IN718, so dass zusätzlich die Mehrphasigkeit mit betrachtet wird. Als Modellbauteile werden Rechteckprofile mit Wandstärken von 2 und 4 mm betrachtet. Die Seitenflächen der mittels PBF-LB/M gefertigten Pro-file werden eingehend im Hinblick auf die vorliegenden lokalen Gefüge-, Textur- und Eigenspan-nungsgradienten in lateraler und in Tiefenrichtung charakterisiert. Im Anschluss an diese systemati-sche Grundcharakterisierung werden aus den Seitenflächen bruchmechanische Proben (CT-Proben) unter Berücksichtigung der Aufbaurichtung der Bauteile entnommen. Anhand von zyklischen span-nungsintensitätsgeregelten Rissausbreitungsversuchen wird an diesen CT-Proben das Rissfort-schrittsverhalten analysiert, wobei für verschiedene Stadien des Rissfortschrittes in unterbrochenen Versuchsführungen die Entwicklung der lokalen Eigenspannungsverteilungen bestimmt wird. Auf dieser Basis wird im Zuge der Bewertung der bruchmechanischen Mechanismen ein Modell abglei-tet, mit dem die Schädigungsentwicklung der gezielt eingestellten Gradientenwerkstoffe auf Basis des lokal vorliegenden Gefüges, des Eigenspannungszustands und der Mikrostruktur (u.a. Kornori-entierungen und Textur) beschrieben werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Gunter Kullmer