Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Pulversynthese für eisenbasierte, generativ gefertigte Hochleistungsmaterialien

Das Projektvorhaben setzt sich mit der pulvermetallurgischen Herstellung (TU Chemnitz) und der Verarbeitung eisenbasierter metallischer Gläser bzw. Cluster-materialien in generativen Fertigungsmethoden (TU Wrocław) auseinander. Das Forschungsziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung kostengünstiger, eisenbasierter Werkstoffsysteme, die entsprechend des jeweiligen Verarbeitungsverfahrens (Abhängigkeit von Energieeintrag, Aufschmelzrate, Keimbildungsgeschwindigkeit, Kristallisationsvermögen) metallurgisch und partikelgrößenanhängig angepasst werden. Als Ergebnis sollen feinstkristallin-teilamorphe, hochfeste, duktile und korrosionsbeständige Materialien entstehen, die sich durch generative Fertigungsverfahren zu Funktionsbauteilen verarbeiten lassen. Eine weitere Besonderheit des Vorhabens liegt in der Kombination der verschiedenen generativen Verfahren miteinander. So werden die unterschiedlichen Gefügestrukturen in Abhängigkeit ihrer Eigenschaftsprofile innerhalb eines Bauteils zu einer auf den Wirkquerschnitt bezogenen optimalen Funktion kombiniert. Eines der Hauptprobleme generativer Fertigungsverfahren stellen thermische Eigenspannungen dar. Eine Reduzierung der Eigenspannungen in dieser Prozessgruppe würde die Anwendungsvielfalt dieser Fertigungsverfahren drastisch erweitern und neue Werkstoffkombinationen und Geometrien zulassen, die sich bisher ausschließen. Diese neuen Möglichkeiten eröffnen KMUs ein breites Feld neuer Anwendungen, die bisher technologisch nicht umsetzbar sind. Durch den Einsatz dieser kostengünstigen Materialien, die Härte, Zähigkeit und Korrosionstabilität vereinen, können zusätzlich Kosten im Bereich der Werkstoffauswahl eingespart werden. Der direkte Nutzen für die Firmen (KMU) besteht in der Verwendung dieser neuen Materialklasse zur Substitution bisheriger teurer Werkstoffsysteme und der Eröffnung neuer Märkte.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ziele des abgeschlossenen Forschungsvorhabens konzentrierten sich im Wesentlichen auf 6 Hauptarbeitspunkte (WP1: Legierungsentwicklung und –charakterisierung / WP2: Pulververdüsung, -fraktionierung und –analyse / WP3: Parameteroptimierung und Prozessanalyse / WP4: Mechanische Charakterisierung / WP5: Korrosionsversuche (Parameteroptimierung und Prozessanalyse) / WP6: Herstellung kombinierter Schicht-systeme). Für die Untersuchungen wurden 3 Legierungssysteme ausgewählt und pulvermetallurgisch hergestellt: Fe44,63Cr4,93Co4,93Mo12,61Mn11,03C15,56B5,81Y1,5 / Fe75Mo5P10C7.5B2.5 / Fe62Ni18P13C7. Diese Beschichtungsmaterialien wurden im Projektverlauf mit unterschiedlichen generativen Fertigungsmethoden erfolgreich verarbeitet (Lasercladding / APS / SLM / HVOF / Plasma-Pulver-Auftragschweißen und Spark Plasma Sintering (SPS)). Die Pulver wurden entsprechend der Anforderungen der jeweiligen Verarbeitungsmethode fraktioniert. Ein Hauptziel des Projektvorhabens bestand in der Herstellung möglichst amorpher, kugelförmiger Ausgangswerkstoffe. Die Legierung Fe48Mo14Cr15Y2C15B6 konnte fast vollständig amorph hergestellt werden. Die anderen Legierungen zeigten mit zunehmendem Korndurchmesser eine signifikante Erhöhung des Kristallisationsgrades. Die verdüsten Pulver neigen zur Bildung von Gaseinschlüssen (Holkugeln), die bei der Weiterverarbeitung zu Problemen führen. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften neigen die Legierungs-systeme zur Bildung von Agglomeraten und einer nur bedingt freien Fließfähigkeit, welche die Verarbeitung stark negativ beeinflusst. Im Projektverlauf wurden die Legierungen hinsichtlich ihrer Schichteigenschaften (mechanische Festigkeit / Korrosion / Mikrostruktur) analysiert. Unabhängig von der Verarbeitungsmethode zeigte sich, dass es mit den gewählten Legierungssystemen nicht möglich war, riss- und porenfreie Schichtsysteme bzw. 3D-Elemente zu generieren. Ein spezifischer Einsatz der Legierungen liegt nicht vor.