Entwicklung einer neuen Prozessroute zur additiven Herstellung hochstickstoffhaltiger, korrosionsbeständiger, martensitischer Stähle durch die Prozesskombination aus PBF-LB/M und HIP mit integrierter Schnellabschreckung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Nils Ellendt; Professor Dr.-Ing. Sebastian Weber
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549277253

N-legierte martensitische, korrosionsbeständige Stähle mit einem N-Gehalt von 0,3 bis 0,5 Ma.-% können konventionell nur durch druckunterstützte Schmelzmetallurgie hergestellt werden. Wird ein solcher Stahl unter Verwendung von N2 als Schmelzatmosphäre und Zerstäubungsmedium verdüst, ergibt sich aufgrund der geringen N-Löslichkeit in der Schmelze ein deutlich niedrigerer N-Gehalt im Pulver. Wird ein solches Pulver mithilfe additiver Fertigungsverfahren wie dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) verarbeitet, sinkt der N-Gehalt noch weiter ab. Wird durch Gasnitrieren ein N-Gehalt im Pulver eingestellt, der weit über der maximalen Gleichgewichtslöslichkeit liegt, stellen sich während PBF-LB/M aufgrund der hohen Erstarrungs- und Abkühlgeschwindigkeiten N-Gehalte in den Bauteilen ein, die weit über der maximalen N-Löslichkeit in der Schmelze liegen. Durch das Teilausgasen von N2 sowie der Bildung von Anbindungsfehlern lassen sich zurzeit nur Dichten von max. 97,7 Vol.-% erreichen. Die quantitativen Zusammenhänge zwischen dem N-Gehalt des Ausgangspulvers, den verwendeten PBF-LB/M-Parametern wie Rastergeschwindigkeit, Schichtdicke, Laserleistung und Bahnabstand, dem sich einstellenden N-Gehalt und der Defekt- und Mikrostrukturbildung sind noch nicht verstanden. Die sich aus der PBF-LB/M-Fertigung ergebenden Fehlstellen können im Zuge einer nachgeschalteten HIP-Nachverdichtung thermomechanisch geschlossen werden, wodurch die mechanische und chemische Leistungsfähigkeit deutlich erhöht wird. Der Ar-Druck während HIP erhöht die thermodynamische Austenitstabilität und damit den im Austenit zu realisierenden, interstitiell lösbaren N-Gehalt. In HIP-Anlagen mit integrierter Gasabschreckung lassen sich daher hoch N-haltige Zustände einstellen, wodurch es möglich ist, erstmals stark an N übersättigte Stahlmatrices während HIP herzustellen. Die Prozesskombination aus der PBF-LB/M-Fertigung hoch N-haltiger Stahlpulver und dem anschließenden HIP-Nachverdichten mit interner Gasabschreckeinheit ermöglicht somit die Herstellung von (C+N)-Martensiten im Rahmen der additiven Fertigung. Bisher gibt es keine systematischen Untersuchungen zur Herstellung von N-haltigen, martensitischen korrosionsbeständigen Stählen mithilfe additiver Fertigung mit zusätzlicher HIP-Nachbehandlung. Insbesondere die zugrundeliegenden Phasenbildungsmechanismen sind im Kontext der austenitstabilisierenden Wirkung des Drucks von wissenschaftlichem Interesse. Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll daher eine neue Prozessroute für N-legierte martensitische, korrosionsbeständige Stähle entwickelt werden, die die genannten Zusammenhänge in einem mehrstufigen Verfahren gezielt ausnutzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen