Modellgetriebene Charakterisierung der Wechselwirkung von Defekten, α-Al-Mischkristall und Si-Netzwerk von additiv gefertigten, aushärtbaren Al-Si-Mg-Werkstoffen bei zyklischer Beanspruchung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Bastian Blinn; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• 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 583077280

Die additive Fertigung von Strukturkomponenten mittels laserbasiertem Pulverbettverfahren (PBF-LB) bietet ein enormes Leichtbaupotenzial, wobei Leichtmetalle, wie z. B. aushärtbare Al-Si-Mg-Legierungen, eine hohe Relevanz besitzen. Zur Optimierung solcher Leichtbaukomponenten ist ein tiefgreifendes Verständnis zwischen der PBF-LB-Mikrostruktur und den resultierenden mechanischen Eigenschaften unabdingbar. Für Al-Si-Mg-Legierungen führen die hohen Abkühlraten im PBF-LB zu von einem Si-Netzwerk umgebenen Zellen aus α-Al-Mischkristall (α-Al-MK), deren Ausprägung sich durch Variation der Prozessparamater verändert. Aus dem Forschungsstand und eigenen Vorarbeiten ist festzustellen, dass diese Zellstruktur zu einer erhöhten Festigkeit im Vergleich zu gießtechnisch hergestellten Al-Si-Mg-Legierungen führt. Zudem kann abgeleitet werden, dass die Ausprägung der Zellstruktur und die lokalen mechanischen Eigenschaften des α-Al-MK maßgebend für das makroskopische Verformungsverhalten sind. Im vorliegenden Forschungshaben soll ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Zellstrukturausprägung und dem quasistatischen sowie zyklischen Verformungsverhalten erarbeitet werden. Hierzu werden zunächst durch Variation der Laserleistung und Scangeschwindigkeit an den Legierungen AlSi7Mg und AlSi12Mg verschiedene Zustände mit unterschiedlichen Zellstrukturen hergestellt. Diese werden nicht nur Unterschiede in der geometrischen Ausprägung der Zellstruktur, sondern auch in den Eigenschaften des α-Al-MK aufweisen, was mit Hilfe von zyklischer Nanoindentation analysiert wird. Zusätzlich wird eine nicht aushärtbare Legierung betrachtet, um den Effekt der Ausscheidungshärtung zu separieren. Hieraus wird der Zusammenhang zwischen Si-Gehalt, Fertigungsparameter und Eigenschaften des α-Al-MK herausgearbeitet, wozu ferner zwei bereits in Vorarbeiten untersuchte Zustände von AlSi10Mg analysiert werden. Basierend hierauf werden je zwei Zustände von AlSi7Mg und AlSi12Mg ausgewählt, die dann analog zu den vorhandenen AlSi10Mg-Zuständen in Zug- und Ermüdungsversuchen hinsichtlich Ihres Verformungsverhaltens in Abhängigkeit der Zellstrukturausprägung analysiert werden. Zudem ist es das Ziel die Schädigungsmechanismen im Very (VHCF-) und High Cycle Fatigue (HCF-) Bereich zu untersuchen und hierbei die Rolle der Zellstruktur herauszuarbeiten, wozu an allen Zuständen intermittierende Versuche an Proben mit künstlich eingebrachten Defekten stattfinden. Hierbei soll insb. herausgearbeitet werden, inwiefern die Zellstrukturausprägung und die lokalen Eigenschaften des α-Al-MK mit den prozessinduzierten, rissinitiierenden Defekten interagieren und wie sich dies auf die Defekttoleranz auswirkt. Abschließend soll ein Konzept zur Modellierung des defektbasierten Ermüdungsverhaltens von Al-Si-Mg-Legierungen erarbeitet werden, welches zusätzlich zu den Defekten die Zellstrukturausprägung und die gefügeinhärenten Eigenschaften berücksichtigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck