Hochfester Stahl mit hoher Schadenstoleranz für die additive Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Dr.-Ing. Marco Wendler
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536317273

Im Fokus des Projektes steht die Erforschung der hochfesten austenitischen Stahllegierung X15CrMnNiN 15-3-3-0.15 für die Additive Fertigung sowohl im Laserstrahl- als auch Elektronenstrahl-Pulverbettverfahren (LB-PBF, EB-PBF). Im Unterschied zu den bisher verfügbaren Werkstoffen wie z.B. dem AISI 316L oder dem 17-4PH soll dieser Stahl eine weitgehende Isotropie der mechanischen Eigenschaften aufweisen, Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der prozessinduzierten Eigenspannungen und ein gutes Potential für hohe Festigkeiten durch nachgelagerte Q&P-Behandlung (Rm > 1600 MPa) für eine breite Anwendungspalette aufweisen und über eine hohe Schadenstoleranz gegenüber Baufehlern sowie zyklisch stabile Ermüdungseigenschaften verfügen. Die notwendigen Randbedingungen für ein isotropes, feinkörniges Gefüge werden in beiden Prozessen parallel erforscht. Einen wesentlichen Beitrag dazu liefert die primär-ferritische Erstarrung, die zu einer zusätzlichen Phasenumwandlung (Ferrit zu Austenit) führt. Auch wenn sich das EB-PBF- und das LB-PBF-Verfahren vom Prinzip sehr ähnlich sind, werden die Bauteile unter deutlich abweichenden Prozessbedingungen (Bauraumtemperaturen, Pulverpartikelgröße, Schichtdicken) gefertigt. Dies führt wiederum zu unterschiedlichen Abkühlbedingungen und Veränderungen in der Mikrostruktur und in den Eigenspannungszuständen, was sich schließlich auch in den mechanischen Eigenschaften LB-PBF- und EB-PBF-gefertigter Bauteile widerspiegeln wird. Daher soll an einer für beide Verfahren angepassten Legierungszusammensetzung des Stahls X15CrMnNiN 15-3-3-0.15 die gesamte Prozesskette erforscht werden. Dies beinhaltet neben der Verarbeitbarkeit im eigentlichen Bauprozess auch die vorherige Verdüsung und die nachgelagerte Wärmebehandlung. Nach der additiven Fertigung erfolgt eine Q&P-Wärmebehandlung, deren Anpassung an die verschiedenen Legierungsausgangszustände (d.h. nach EB-PBF und LB-PBF) erforscht werden muss, um zielgerichtete mechanische Eigenschaften des Werkstoffs einzustellen. Da das LB-PBF gefertigte Material voraussichtlich signifikante Eigenspannungen aufweisen wird, müssen diese bei der Bewertung der Eigenschaften vor und nach der Q&P-Wärmebehandlung vergleichend in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus kann für den LB-PBF Prozess aufgrund der großen Varianz möglicher Bauplattformtemperaturen (von RT bis zu 800°C) möglicherweise auf den Zwischenschritt des Lösungsglühens verzichtet werden. Hier ist prinzipiell die Auswirkung auf die Ausbildung der Eigenspannungen und möglicherweise von Karbiden von Interesse. Neben den statischen Materialeigenschaften werden insbesondere die zyklischen Eigenschaften im nieder- und hochzyklischen Bereich untersucht, da dies für einen großen Teil industriell eingesetzter Bauteile von zentraler Bedeutung ist. Die mechanische Charakterisierung des Probenmaterials wird dabei durch mikrostrukturelle Untersuchungen begleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen