Anwendung von Pulveradditivierung und In-situ-Legierungsbildung zur Erweiterung der Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit von nichtrostenden Stählen für die additive Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Sebastian Weber
• 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 560087872

Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (engl. powder bed fusion - laser beam/metals, PBF-LB/M) stößt aufgrund geometrischer Flexibilität und hohen Ressourceneffizienzpotenzials auf großes industrielles und wissenschaftliches Interesse. Die Auswahl an verarbeitbaren Werkstoffen ist jedoch aufgrund komplexer thermischer Prozessbedingungen bisher limitiert. Aufgrund seiner guten Schweißeignung und hohen Duktilität wird daher als Standardwerkstoff für das PBF-LB/M -Verfahren industriell insbesondere der nichtrostende Stahl X2CrNiMo17-12-2 eingesetzt. Seine Anwendung wird jedoch häufig durch eine geringe Festigkeit eingeschränkt. Eine Möglichkeit, die eingeschränkte Verarbeitbarkeit der Standardgüten zu überwinden und die Anzahl und Eigenschaften der verarbeitbaren Werkstoffe zu erweitern, kann in der Pulveradditivierung gefunden werden. Hauptziel des Vorhabens ist es, das im Vorgängerprojekt für den Labormaßstab erarbeitete Verständnis der Additivierung von Stahlpulvern mit Siliziumnitridpartikeln (Si3N4) im Kontext der Herstellung von Stickstoff (N)-legierten nichtrostenden Stählen auf den industriellen Produktionsmaßstab zu erweitern, um durch N die mechanischen und korrosiven Eigenschalten zu verbessern. Dazu sollen zwei Prozessrouten verfolgt werden. Zum einen soll X2CrNiMoN17-12-2-Stahlpulver (DIN EN 1.4429, AISI 316LN) durch Zugabe von Si3N4 schnell und wirtschaftlich aus der Standardzerstäubung von X2CrNiMo17-12-2 (DIN EN 1.4404, AISI 316L) hergestellt werden. Dadurch kann das Werkstoffspektrum erweitert werden. Andererseits soll der N-Gehalt von vorlegierten Stahlpulvern der Legierung X2CrNiMoN17-12-2 durch Zugabe von Si3N4-Pulver erhöht werden. Im Ansatz sollen die Si3N4-Partikel im PBF-LB/M nicht mit der Stahlschmelze in Wechselwirkung treten und als keramische Partikel im Bauteil erhalten bleiben. In einem nachgeschalteten heißisostatischen Pressen (HIP) sollen die Si3N4-Partikel so aufgelöst werden, dass N möglichst homogen verteilt in einen interstitiellen Lösungszustand in der austenitischen Metallmatrix übergeht und als Legierungselement dient. Um dieses Ziel im industriellen Maßstab zu erreichen, ist es notwendig, die Entmischung großer Pulvermengen bei der Lagerung, dem Transport und der Verarbeitung von Pulvermischungen aus nichtrostendem Stahl und Si3N4 zu beherrschen. Dazu sollen das mechanische Legieren und das einfache Mischen mit unterschiedlichen Korngrößen untersucht werden, um eine gleichmäßige Verteilung und ausreichende Menge an Si3N4-Partikeln im PBF-LB/M-Bauteil zu ermöglichen. Anschließend soll die Mikrostrukturentwicklung im PBF-LB/M und anschließendem HIP durch skalenübergreifende Mikrostrukturanalysen und thermodynamische Simulationen charakterisiert und optimiert werden. Gleichzeitig sollen die statischen und dynamischen mechanischen Eigenschaften ermittelt und im Kontext der Fertigungsprozesskette und der davon abhängigen Mikrostruktur verstanden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Outokumpu Nirosta GmbH