Alloy- and process design of additively manufactured bulk and lattice structures of austenitic advanced high-strength steels

Köhnen, Patrick; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor); Krupp, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Das selektive Laserschmelzen (LS) bietet das Potenzial, Konstruktionseinschränkungen konventioneller Fertigungsverfahren zu überwinden und hochkomplexe Bauteile wie periodische Gitterstrukturen mit einzigartigen Eigenschaften zu produzieren. Zu den materialbezogenen Herausforderungen des LS gehören die gezielte Nutzung der schnellen Erstarrungsbedingungen sowie die Entwicklung neuer prozessangepasster Legierungen mit verbesserten Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde eine Legierungs- und Prozess-Design-Strategie entwickelt, welche die schnellen Erstarrungsbedingungen während des LS-Prozesses ausnutzt, um eine Mikrostrukturverfeinerung und Texturreduzierung von austenitischen hochfesten Stählen (AHS) zu erzielen. Neben den mikrostrukturellen Anpassungen wurden zusätzliche legierungsspezifische Verformungsmechanismen genutzt um das Verfestigungsverhalten von Vollkörper- und Gitterstrukturproben zu beeinflussen. Während des Prozessdesigns wurden verschiedene LS-Prozessparameter angepasst, um Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen herzuleiten. Um zusätzliche, experimentell schwer zu bestimmende Prozessbedingungen zu ermitteln, wurden die Schmelzbadgeometrie und die lokalen Erstarrungsparameter im Schmelzbad mit einem Finite-Elemente-Modell simuliert und mit der Mikrostruktur korreliert. AHS welche mit höheren Lasergeschwindigkeiten und einer alternativen Laserscanstrategie prozessiert wurden, wiesen eine höhere Festigkeit und ein höheres Energieabsorptionspotenzial auf, welches auf den partiellen Übergang von einer gerichteten zu einer gleichachsigen Erstarrung der Körner und der Anhäufung geometrisch notwendiger Versetzungen zurückgeführt wurde. Das Legierungsdesign wurde durch rechnergestützte Thermodynamik und der Verwendung von Pulver-mischungen aus AHS und Aluminium geleitet, um Vollkörper- und Gitterstrukturproben mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt zu erzeugen. Der Übergang von austenitischer zu ferritisch-austenitischer Erstarrung sowie Ferrit-Austenit Festkörperumwandlungen ermöglichte die Steuerung der Mikrostruktur- und Texturentwicklung. Zusätzlich ermöglichte die Variation des Aluminiumgehalts die flexible Steuerung des Verfestigungsverhaltens durch Einstellung der Verformungsmechanismen umwandlungsinduzierter und zwillingsinduzierter Plastizität. Durch die mikrostrukturellen Anpassungen konnten die mechanischen Eigenschaften in einem weiten Bereich eingestellt sowie die Energieabsorption von geometrisch selektierten AHS-Gitterstrukturen signifikant erhöht werden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion [421510]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]