Hochdurchsatz-Untersuchung neuartiger ternärer NiTi-Formgedächtnislegierungen mittels In-situ-Legierungsbildung beim Laser-Pulverauftragschweißen

• Antragsteller: Dr. Jan Haubrich; Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554643239

Die Formgedächtniseigenschaften binärer NiTi-Legierungen gelten, trotz zahlreicher neuentwickelter Formgedächtnislegierungen (FGL), nach wie vor als Stand der Technik. Limitiert werden deren Anwendungsmöglichkeiten jedoch durch ihre niedrigen Einsatztemperaturen, die vor allem von den Phasenumwandlungstemperaturen bestimmt werden. Diese Temperaturintervalle und die sich einstellenden Funktionseigenschaften werden stark von der chemischen Zusammensetzung der FGL beeinflusst und können darüber auch gezielt an die jeweilige Anwendung angepasst werden. FGL auf NiTi-Basis wurden im Bereich der Additiven Fertigung bisher mittels Laser-Pulverauftragschweißen (engl. Laser Directed Energy Deposition, DED-LB/M) kaum verarbeitet. Daher gelten viele Prozess-Materialeigenschaftszusammenhänge nach wie vor als unverstanden. Das Hauptziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Legierungssystemen auf NiTi-Basis zur Erzeugung von Hochtemperatur-Formgedächtnisstrukturen mittels DED-LB/M. Diese Legierungssysteme sollen erhöhte Umwandlungstemperaturen von > 100 °C aufweisen und bei zyklischer Belastung eine möglichst gute Langzeitstabilität des Formgedächtniseffekts gewährleisten. Zur Anpassung der Funktionseigenschaften wird das binäre NiTi-System durch die In-situ-Legierungsbildung mit einer dritten Legierungskomponente (M) modifiziert. Neben binärem NiTi als Referenz und NiTiHf als die bisher technisch relevanteste Hochtemperatur-FGL wird mit NiTiSc ein bisher kaum erforschtes NiTi-M-Legierungssystem in Betracht gezogen. Für alle drei Legierungssysteme sollen zunächst mittels CALPHAD geeignete Zusammensetzungsbereiche ermittelt werden. Entsprechend der jeweiligen Legierungszusammensetzung werden dann in Hochdurchsatz-Untersuchungen mithilfe des DED-LB/M und der In-situ-Legierungsbildung aus Elementarpulvern Probekörper erzeugt und analysiert. Dadurch soll ein Verständnis über die Zusammenhänge zwischen der Prozessführung und den thermischen Prozessbedingungen beim DED-LB/M von NiTi, NiTiHf und NiTiSc, den resultierenden Eigenspannungen, der Defektbildung sowie den mikrostrukturellen, mechanischen und Formgedächtniseigenschaften der erzeugten Strukturen aufgebaut werden. Durch eine thermische Prozessregelung und die Verwendung von Strahlformung sollen selektive Elementverdampfung und Defektbildung verhindert werden. Weiterhin werden auf Basis der berechneten Phasendiagramme Wärmebehandlungen entwickelt, um die Funktionseigenschaften nachträglich anpassen bzw. wiederherstellen zu können. Zur Untersuchung der Phasentransformation werden mitunter In-situ-HEXRD-Versuche mit Synchrotronstrahlung am DESY vorgesehen. Das dynamische Langzeitverhalten der Teststrukturen wird an einem Prüfstand für thermomechanische Hochtemperaturversuche analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen