U02 - Laserlegieren

U02 - Laser-Tieflegieren zur Einstellung fein abgestufter Legierungszustände

Zu den wesentlichen Vorteilen des Lasers gehören die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und Präzision. Dadurch ist er in besonderer Weise ein geeignetes Werkzeug für Hochdurchsatzanwendungen. Beim Laserlegieren wird die hohe Leistungsdichte des fokussierten Laserstrahls genutzt, um Grundmaterial und Legierungselemente zu schmelzen und so eine Metallbindung zu ermöglichen. Im Teilprojekt U02 werden Mikroproben unterschiedlicher Legierungszusammensetzung erzeugt, auf deren Grundlage thermisch und mechanisch induzierte Eigenschaftsänderungen - die sogenannten „farbigen Zustände“ - generiert und Deskriptoren ermittelt werden sollen.

Hierzu wird an einem neuartigen laserbasierten Legierprozess geforscht, der es ermöglichen soll, eine Vielzahl verschiedener Legierungen in feiner Abstufung ihrer chemischen Zusammensetzung kontrolliert herzustellen. Im ersten Prozessschritt werden Legierungselemente in definierter Menge auf dem Grundwerkstoff vordeponiert. Dies erfolgt vorrangig in Form von dünnen Pulverlagen mittels selektiven Laser-Strahlschmelzens (LBM). Das Erzeugen der Legierungen wird im darauffolgenden Schritt durch das laserbasierte Umschmelzen und Durchmischen der einzelnen Legierungselementlagen mit dem Substrat über einen scannergeführten Laser-Tieflegierprozess realisiert.

Ziel des Vorhabens ist die reproduzierbare Erzeugung homogener Legierungen definierter Zusammensetzung mit hohem Durchsatz. Die Beherrschung des Tieflegierprozesses hinsichtlich der Einschweißtiefe und der Homogenität des Umschmelzbades ist hierfür unabdingbar. Durch eine in-situ-Regelung der Einschweißtiefe soll die Möglichkeit geschaffen werden, ein definiertes Umschmelzvolumen einzustellen. Die Homogenität innerhalb eines Legierungszustandes soll mittels in-situ-Erfassung des Emissionsspektrums des prozessinduzierten Plasmas sichergestellt werden. Neben der Untersuchung des Einflusses verschiedener Modulationsstrategien des Laserstrahls auf die Homogenität des umgeschmolzenen Volumens besteht eine weitere Herausforderung darin, ein gleichmäßiges Gefüge der Legierung gezielt einzustellen. Hierzu sind Untersuchungen zur nachträglichen laserbasierten Wärmebehandlung mit kontrollierter Abkühlung vorgesehen.

Das Teilprojekt steht als urformendes Verfahren in der gesamten Prozesskette der Methode „Farbige Zustände“ ganz vorne und ist entsprechend stark mit allen Projektbereichen hinsichtlich Probenbereitstellung und Datenaustausch vernetzt. Darüber hinaus nimmt das Teilprojekt eine „einfärbende“ Rolle ein. So werden auch sphärische Mikroproben aus dem Teilprojekt U01 einer laserbasierten Kurzzeitwärmebehandlung unterzogen, was weitere Erkenntnisse zur Abhängigkeit zwischen Werkstoff und verwendeten Prozessparametern einerseits und dem resultierenden Gefüge der Probe andererseits liefert.

Langfristiges Ziel des Teilprojektes in den weiteren Phasen ist unter anderem die Flexibilität und Automatisierbarkeit des Tieflegierprozesses mit Blick auf die Hochdurchsatzfähigkeit bei maximaler Reproduzierbarkeit der Proben zu steigern, um eine noch größere Bandbreite an Legierungs- und Gefügezuständen für die Methode zur Erforschung evolutionärer Konstruktionswerkstoffe des SFB1232 bereitzustellen.

Publikationen

Czotscher, T., Wielki, N., Vetter, K., Vollertsen, F., Meyer, D. Rapid Material Characterization of Deep-Alloyed Steels by Shock Wave-based Indentation Technique and Deep Rolling. Nanomanufacturing and Metrology, (2019). [Link zum PDF]

Mittelstädt, C., Blanke, N., Czotscher, T., Freiße, H., Halisch, C., Schultz, V., Simic, A., Stephen, A., Tyralla, D., Vetter, K. Aktuelle Forschungsthemen zum Laserstrahleinsatz. Schweißen und Schneiden 70, 9 (2018) 650-657

Kämmler, J., Guba, N., Vetter, K., Vollertsen, F., Meyer, D. Material characterization by deep rolling of laser deep alloyed micro-samples. euspen's 18th international Confernce & Exhibition. 2018. Venice, Italy. [Link zum PDF] [Link zur Konferenz]

Konstantin Vetter, Hannes Freiße, Frank Vollertsen. High-throughput material development using selective laser melting and high power laser. 7.WGP-Jahreskongress, p. 511-518, Aachen, Germany, 2017 [Link zur Konferenz]

Konstantin Vetter, Sven Hohenäcker, Hannes Freiße, Frank Vollertsen. Use of additive manufacturing for high-throughput material development. Lasers in Manufacturing Conference 2017 (LiM), Munich, Germany, 2017 [Link zur Konferenz]

Konstantin Vetter, Hannes Freiße, Frederik Feuerhahn, Henry Köhler, Frank Vollertsen. Influence of scanning strategy on alloy generation. THE LASER USER, Issue 83, p. 32-33, 2017 [Link zum PDF]

Konstantin Vetter, Hannes Freiße, Frederik Feuerhahn, Frank Vollertsen. Einfluss der Scanstrategie bei der Erzeugung von Legierungsvarianten für Hochdurchsatz-Untersuchungen. LASER, Vol. 4, p. 32-34, 2016 [Link zum PDF]