Grundlegende Untersuchungen zu der Nutzung von Pulvermischungen und zu dem Einfluss von Ausgangsmaterial und Prozessparametern auf die Erstarrungsreihenfolge und den Gefügebildungsprozess ferritischer und austenitischer Stähle beim pulverbettbasierten Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arne Röttger; Professor Dr. Jan T. Sehrt
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553317883

In diesem Forschungsantrag wird die Verarbeitung von ferritischen und austenitischen nichtrostenden Stählen durch das pulverbettbasierte Metallschmelzverfahren mittels Laserstrahl (Powder Bed Fusion-Laser Beam/Metal - PBF-LB/M) aus Pulvermischungen binärer und ternärer Basissysteme grundlegend untersucht. Ermöglicht die Verwendung von Basispulvermischungen im Vergleich zu vorlegierten, gasverdüsten Pulvers die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Gefüge, ergeben sich damit eine Vielzahl von bis dato nicht beantworteten wissenschaftlichen Fragestellungen. Diese betreffen die Laser-Metallpulver-Interaktion, die Erzeugung von Schmelzbädern mit homogener chemischer Zusammensetzung, den Gefügebildungsprozessen während der Erstarrung und der nachfolgenden Umwandlungen im festen Zustand als Folge des wiederkehrenden Wärmeeintrags und die mit diesem Gefüge verbundenen chemischen und mechanischen Eigenschaften. Um diese Vielzahl an wissenschaftlich-technologischen Fragen zu beantworten und Legierungszusammensetzungen abzuleiten, die sich mittels PBF zu defektarmen Proben verarbeiten lassen, soll speziell für den PBF-LB/M Prozess, inspiriert durch die Schweißtechnik, ein entsprechendes Schaefflerdiagramm für die PBF-LB/M-Verarbeitung nichtrostender Stähle abgeleitet werden. Der Gefügebildungsprozess während der Erstarrung in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der Erstarrungsgeschwindigkeit soll mit Hilfe computergestützter Methoden der Werkstoffsimulation beschrieben werden. Der Einfluss einer wiederkehrenden Wärmeeinbringung als Folge des schichtförmigen Materialauftrags kann über Diffusionsberechnungen und thermodynamische Berechnungen abgeschätzt werden. Die Simulationen werden anhand von experimentellen Untersuchungen validiert. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse lassen sich das aus der Schweißtechnik bekannte Schaefflerdiagramm für die PBF-LB/M-Prozessierung von nichtrostenden Stählen anpassen. Parallel zu diesen Untersuchungen werden Fragen bezüglich der Prozessierung von Pulvermischungen beantwortet. Neben der grundlegenden Charakterisierung des Pulververhaltens während des Aufrakelns und der Charakterisierung der sich ausgebildeten Pulverschichten sollen diese durch Variation der Belichtungsparameter und der Atmosphäre umgeschmolzen werden. Im Vordergrund der Untersuchungen steht die Laser-Metallpulver-Interaktion, die Erzeugung von Schmelzbädern mit einer homogenen chemischen Zusammensetzung durch entsprechende Maßnahmen (Wobbeln, Mehrfachbelichtung, Partikelgrößenanpassung) und der damit verbundenen gezielten Einflussnahme auf die Gefügeausbildung über prozesstechnische Maßnahmen. In einem übergeordneten Arbeitspaket soll das erarbeitete Wissen zusammengefasst und beispielhaft für die PBF-Prozessierung eines ferritischen und austenitischen Stahls angewendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen