Analyse der strukturellen Integrität und funktionalen Eigenschaften hybrid additiv gefertigter, funktionell gradierter Fe-36Ni Invarlegierung mittels Draht-basierten Auftragschweißverfahren

• Antragsteller: Dr.-Ing. Johannes Günther; Dr.-Ing. Thomas Wegener
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575239423

Die Fe-36Ni Invar Legierung ist bekannt für ihren geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, coefficient of thermal expansion) sowie gute mechanische Eigenschaften bei kryogenen Umgebungstemperaturen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Invar oft in Komponenten eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit und Formstabilität über einen weiten Temperaturbereich erfordern. Da es sich bei Invar um ein Material relativ hoher Zähigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit handelt, gestaltet sich die konventionelle Verarbeitung von komplexen Geometrien mittels spanender Bearbeitung als besonders anspruchsvoll und kostenintensiv. Verfahren der additiven Fertigung (AM, additive manufacturing) sind vielversprechende Kandidaten, um diese Herausforderungen zu überwinden. Im Vergleich zu pulverbettbasierten AM-Verfahren, bietet das Draht-basierte Auftragschweißen (DED, directed energy deposition) Vorteile in Bezug auf die Materialeffizienz, die Kosten der erhältlichen Ausgangswerkstoffe sowie die erzielbaren Aufbauraten. Darüber hinaus sind diese Prozesse in Bezug auf den Bauraum, bzw. die Bauteilgröße deutlich weniger eingeschränkt. Eine Analyse des aktuellen Forschungsstands verdeutlicht, dass keine umfassenden Studien zu den Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen von Invar gefertigt über Draht- und Laser-basierte DED-Verfahren vorliegen. Vorarbeiten zeigen, dass die Mikrostrukturen und somit die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des verwendeten Verfahrens und der Prozessparameter durch signifikante Unterschiede charakterisiert sind. Da viele Komponenten aus Invarlegierungen unter sehr komplexen Belastungsszenarien eingesetzt werden, muss zudem die strukturelle Integrität unter zyklischer Beanspruchungen untersucht werden. Der derzeitige Stand der Technik verdeutlicht zudem, dass es (unabhängig der Herstellungsroute) keine systematischen Untersuchungen zur thermisch-zyklischen Stabilität des Invar-Effekts gibt. Erste Untersuchungen zeigen, dass es infolge von mehrstufigen Wärmebehandlungen zu einer Degradation des CTE kommt. Hier setzt das vorliegende Projekt an. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die strukturierte, umfassende Analyse der Prozess Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen in der additiven Verarbeitung einer Fe-36Ni Invarlegierung mittels Draht-basierter Auftragschweißverfahren. Es werden sowohl Laser- als auch Lichtbogen-basierte DED-Prozesse betrachtet. Über die gezielte Beeinflussung und lokale Anpassung der Mikrostruktur durch eine Adaption der Prozessparameter sowie einer Kombination beider Technologien soll der Werkstoff zudem über hybride additive Fertigung maßgeschneidert an externe Lasten optimiert werden. Neben einer skalenübergreifenden Mikrostrukturanalyse wird eine Bewertung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere das Deformationsverhalten unter zyklischer Belastung, sowie das Wärmeausdehnungsverhalten und dessen Stabilität bei thermische Zyklierung im Fokus der Untersuchungen stehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen