Thermische Gradienten beim Pulverbett-basierten Schmelzen von binären metallischen Gläsern auf Ni-Nb-Basis: Grundlagenuntersuchungen zur Glasbildung und Entstehung von Eigenspannungen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Busch; Dr.-Ing. Stefan Kleszczynski
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564610000

Advanced Materialien wie metallische Massivgläser (engl. Bulk Metallic Glasses - BMGs) weisen erstaunliche mechanische Eigenschaften auf. Die amorphe atomare Anordnung führt bei BMGs zu hohen Festigkeitskennwerten von 2-5 GPa bei einer gleichzeitig hohen elastischen Dehngrenze von etwa 2-3 %. Die Vitrifizierung einer metallischen Schmelze zu einer glasartigen Struktur erfordert eine gute Glasbildungsfähigkeit (engl. Glass-Forming Abillity - GFA) der Legierung und hohe Abkühlungsraten während des Verarbeitungsprozesses, um die Kristallisation zu verhindern. Bei konventionellen Fertigungsverfahren wie dem Gießen sind die Abkühlungsraten inhärent begrenzt. Dies beschränkt die herstellbare Größe von BMGs und schließt sie von den meisten technischen Anwendungen aus. Das Laser-Pulverbett-basierte Schmelzen von Metallen (PBF-LB/M) bietet seit einigen Jahren die Möglichkeit, große und komplexe Strukturen aus BMGs herzustellen. Die Wechselwirkung von Laser und Material ermöglicht Abkühlungsraten von bis zu 10^6 K/s, und das schichtweise Verfahren entkoppelt die lokale Abkühlungsrate von der Bauteilgröße. Jedoch stellen das zyklische Wiedererhitzen, die Sauerstoffaufnahme und das Rissverhalten hier noch technologische Herausforderungen dar. Basierend auf den begrenzten Erkenntnissen zur Laser-Material-Wechselwirkung werden in der Regel "starke Glasbildner" wie z.B. Zr-basierte Legierungen für das PBF-LB/M-Verfahren gewählt. Dadurch wird zwar ein einfaches Prozessdesign erreicht, jedoch auf Kosten einer, für BMGs, nur durchschnittlichen Festigkeit (2 GPa). Die mittels PBF-LB/M erfolgreich verarbeiteten BMGs weisen heute daher niedrige kritische Abkühlraten von 20-500 K/s auf, die durch PBF-LB/ M prinzipiell um vier bis fünf Größenordnungen überschritten werden können. Das Projekt zielt darauf ab, das volle Potenzial der hochdynamischen Laser-Material-Wechselwirkung beim PBF-LB/M auszuschöpfen. Dafür wird exemplarisch die binäre glasbildende Legierung Ni62Nb38 betrachtet. Diese Legierung weist eine ausreichende GFA für die amorphe Verarbeitung durch PBF-LB/M auf und kann eine Biegefestigkeit von bis zu 3,5 GPa erreichen. Jedoch wurde durch Vorversuche das Auftreten von eigenspannungsbedingten Rissen während des Verarbeitungsprozesses als kritische Herausforderung identifiziert. In diesem Zusammenhang muss das Zusammenspiel zwischen der thermischen Historie, den auftretenden Eigenspannungen und den Materialeigenschaften vertieft untersucht werden. Hierzu werden die Temperaturgradienten und die resultierende Verformung in situ durch Quotienten-Pyrometrie und einer neuartigen Dehnungsmessanordnung analysiert. Basierend auf einer umfassenden mikrostrukturellen und mechanischen Charakterisierung der Proben werden thermische Gradienten für die Verarbeitung zu dichten und amorphen Probekörpern aus Ni62Nb38 funktionalisiert. Die zu erwartenden Ergebnisse eröffnen neue Wege für die verbeiterte Nutzung von BMGs in industriellen Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Jan Wegner
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jamie J. Kruzic