Laserbasierte additive Fertigung intermetallischer Werkstoffe für extreme Anforderungen

Motivation und Ziele

Dem Einsatz innovativer Werkstoffe in der Industrie sind häufig Grenzen durch die Fertigungstechnik gesetzt. Dies gilt insbesondere für hochschmelzende und/oder spröde Werkstoffe, aus denen mit konventionellen Verfahren wie Gießen und Schmieden Bauteile gar nicht, oder nur mit großem Aufwand gefertigt werden können. Hierzu zählen u.a. auch intermetallische Legierungen. Additive Fertigungsverfahren wie das Pulverbett-basierte Selective Laser Melting (SLM) und das Pulverdüse-basierte Laser Metal Deposition (LMD) bieten hier einzigartige neue Möglichkeiten. Die große Intensität im Laserstrahl ermöglichen das rasche Aufschmelzen auch hochschmelzender Werkstoffe, die Erstarrung kann gezielt zur Einstellung gewünschter Gefügestrukturen genutzt werden, die endkonturnahe Formgebung erfolgt ohne mechanische Einwirkung und Rissbildung kann durch Vorwärmung entgegen gewirkt werden. Schließlich ermöglicht das LMD durch die Pulverdüsentechnik auch die Herstellung gradierter Werkstoffe, wodurch die Funktionalität im Bauteil lokal angepasst werden kann oder eine hybride Bauweise möglich wird. Damit bieten SLM und LMD Möglichkeiten in der Fertigung anspruchsvoller Werkstoffe, die heute nur ansatzweise genutzt werden. Das geplante Vorhaben soll einen Beitrag dazu leisten, dieses Potenzial am Beispiel von ausgewählten Werkstoffen und Anwendungen besser auszuschöpfen und gleichzeitig die Werkstoffentwicklung voranzutreiben.

Ziel des Vorhabens ist die Qualifizierung von intermetallischen Werkstoffen auf Basis von Eisen-Aluminium-, Molybdän-Silizium- und Vanadium-Silizium-Legierungen für extreme An-forderungen (Temperatur, Verschleiß, Korrosion) mittels der additiven Fertigungsverfahren Laser Metal Deposition (LMD) und Selective Laser Melting (SLM). Dabei wird die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung bis zum fertigen Bauteil betrachtet. Die betrachteten Legierungstypen werden heute noch nicht in der Industrie eingesetzt. Bei Eisenaluminiden wurden lediglich einige Demonstratorbauteile durch Gießen und Schmieden hergestellt. Die Fertigung von Molybdän- und Vanadiumsiliziden über additive Verfahren ist bisher nicht untersucht worden, wodurch wissenschaftliches und technisches Neuland im Rahmen des Projekts LextrA betreten wird. Eine erfolgreiche Umsetzung der Projektidee kann zur Erhöhung des Wirkungsgrads von Turbinen beitragen und somit die Energieeffizienz und wirtschaftliche Attraktivität von innovativen Produkten zur Energieerzeugung steigern.

Wissenschaftliche Arbeiten und Lösungsweg

• Erschmelzen und Gasverdüsung hochschmelzender Mo-Si und V-Si-Legierungen (Schmelzpunktunterschiede der Elemente, Beanspruchung von Tiegel und Düse)
• Vermeidung von Rissen bei der additiven Fertigung der spröden Werkstoffe
• Minimierung der Sauerstoffkontamination (= weitere Versprödung) bei Pulverherstellung und SLM/LMD (insbesondere bei den Vanadiumsiliziden)
• Einstellung eines homogenen Gradienten (LMD)
• Findung geeigneter legierungstechnischer Maßnahmen zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit (insbesondere Mo-Si und V-Si)
• Stabilisierung der Gradierung für Langzeitbeanspruchung bei hohen Temperaturen