Das Ziel der Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Entwicklung von Hochtemperaturloten auf Eisenbasis mit Liquidustemperaturen von < 1100 °C zu leisten. Die Lote sollen als alternative Werkstoffe für die derzeit verwendeten Nickelbasislote im Werkzeug- und Wärmetauscherbau Anwendung finden. Als Grundwerkstoffe kommen Werkzeugstähle sowie rost- und säurebeständige Stähle in Betracht. Wichtige Legierungselemente sind Silizium, Nickel, Chrom und Bor. Eine Verbesserung gegenüber den Nickelbasisloten soll die Gefügeausbildung in Abhängigkeit der Lötspaltbreite sowie das Korrosionsverhalten darstellen. Entsprechende Ergebnisse werden aufgezeigt und mit Daten zur Zugfestigkeit, zum Zähigkeitsverhalten im Schlagbiegeversuch sowie zur Härteverteilung über die Lötnaht vervollständigt. Für ein Verständnis des Schmelzverhaltens dienen DTA-Untersuchungen. Eine Einordnung der entwickelten Lote in den derzeitigen Stand der Forschung wird gegeben. Weiterführendes Forschungs- und Entwicklungspotenzial wird aufgezeigt.

Neuartige Konstruktionswerkstoffe, welche eine hohe Festigkeit mit einem niedrigen Materialgewicht verbinden, sind von besonderem Interesse in verschiedenen Anwendungsgebieten. Insbesondere im Mobilitätssektor sind derartige innovative und nachhaltige Werkstoffe mit hoher spezifischer Festigkeit von Bedeutung, um sowohl die angestrebte Reduktion von Fahrzeugemissionen als auch eine ausreichende mechanische Stabilität der Karosserie zu erreichen. Stähle weisen dabei aufgrund ihres großen Eigenschaftsspektrums und der umfassende Prozesskenntnis in der Stahlverarbeitung bzw. Herstellung ein hohes Potenzial auf und es kann historisch bedingt auf eine umfassende Prozesskenntnis in der Stahlverarbeitung bzw. Herstellung zurückgegriffen werden. Bisher wurden derartige Eigenschaftsprofile nur durch aufwändige Nachbehandlungsschritte realisiert. Ein durch gezielte Legierungsmodifikation im Kupferkokillenschwerkraftguss bei erhöhten Abkühlgeschwindigkeiten hergestellter hochfester Werkzeugstahl zeigt bereits im Gusszustand ein vielversprechendes mechanisches Eigenschaftsprofil. Dieses wurde sowohl im quasi-statischen als auch im dynamischen Druckversuch eingehender untersucht. Hierbei konnte nur eine marginale Dehnratenabhängigkeit für den neuartigen Werkzeugstahl beobachtet werden. Im dynamischen Druckversuch wurden adiabatische Scherbänder nachgewiesen, deren Entstehung durch verschiedene Methoden der Gefügecharakterisierung nachverfolgt werden konnten und als Vorläuferstellen für das Materialversagen durch Bruch anzusehen sind.

Das Ziel der Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Entwicklung von Hochtemperaturloten auf Eisenbasis mit Liquidustemperaturen von < 1100 °C zu leisten. Die Lote sollen als alternative Werkstoffe für die derzeit verwendeten Nickelbasislote im Werkzeug- und Wärmetauscherbau Anwendung finden. Als Grundwerkstoffe kommen Werkzeugstähle sowie rost- und säurebeständige Stähle in Betracht. Wichtige Legierungselemente sind Silizium, Nickel, Chrom und Bor. Eine Verbesserung gegenüber den Nickelbasisloten soll die Gefügeausbildung in Abhängigkeit der Lötspaltbreite sowie das Korrosionsverhalten darstellen. Entsprechende Ergebnisse werden aufgezeigt und mit Daten zur Zugfestigkeit, zum Zähigkeitsverhalten im Schlagbiegeversuch sowie zur Härteverteilung über die Lötnaht vervollständigt. Für ein Verständnis des Schmelzverhaltens dienen DTA-Untersuchungen. Eine Einordnung der entwickelten Lote in den derzeitigen Stand der Forschung wird gegeben. Weiterführendes Forschungs- und Entwicklungspotenzial wird aufgezeigt.

Alloying aluminum offers the possibility of creating low-density high-entropy alloys (HEAs). Several studies that focus on the system AlCoCrFeNiTi differ in their phase determination. The effect of aluminum on the phase composition and microstructure of the compositionally complex alloy (CCA) system AlxCoCrFeNiTi was studied with variation in aluminum content (molar ratios x = 0.2, 0.8, and 1.5). The chemical composition and elemental segregation was measured for the different domains in the microstructure. The crystal structure was determined using X-ray diffraction (XRD) analysis. To identify the spatial distribution of the phases found with XRD, phase mapping with associated orientation distribution was performed using electron backscatter diffraction. This made it possible to correlate the chemical and structural conditions of the phases. The phase formation strongly depends on the aluminum content. Two different body-centered cubic (bcc) phases were found. Texture analysis proved the presence of a face-centered cubic (fcc) phase for all aluminum amounts. The hard η-(Ni, Co)3Ti phase in the x = 0.2 alloy was detected via metallographic investigation and confirmed via electron backscatter diffraction. Additionally, a centered cluster (cc) with the A12 structure type was detected in the x = 0.2 and 0.8 alloys. The correlation of structural and chemical properties as well as microstructure formation contribute to a better understanding of the alloying effects concerning the aluminum content in CCAs. Especially in the context of current developments in lightweight high-entropy alloys (HEAs), the presented results provide an approach to the development of new alloy systems.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

Alloying aluminum offers the possibility of creating low-density high-entropy alloys (HEAs). Several studies that focus on the system AlCoCrFeNiTi differ in their phase determination. The effect of aluminum on the phase composition and microstructure of the compositionally complex alloy (CCA) system AlxCoCrFeNiTi was studied with variation in aluminum content (molar ratios x = 0.2, 0.8, and 1.5). The chemical composition and elemental segregation was measured for the different domains in the microstructure. The crystal structure was determined using X-ray diffraction (XRD) analysis. To identify the spatial distribution of the phases found with XRD, phase mapping with associated orientation distribution was performed using electron backscatter diffraction. This made it possible to correlate the chemical and structural conditions of the phases. The phase formation strongly depends on the aluminum content. Two different body-centered cubic (bcc) phases were found. Texture analysis proved the presence of a face-centered cubic (fcc) phase for all aluminum amounts. The hard η-(Ni, Co)3Ti phase in the x = 0.2 alloy was detected via metallographic investigation and confirmed via electron backscatter diffraction. Additionally, a centered cluster (cc) with the A12 structure type was detected in the x = 0.2 and 0.8 alloys. The correlation of structural and chemical properties as well as microstructure formation contribute to a better understanding of the alloying effects concerning the aluminum content in CCAs. Especially in the context of current developments in lightweight high-entropy alloys (HEAs), the presented results provide an approach to the development of new alloy systems.

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Co-Basislote entwickelt, welche zum Hochtemperaturlöten von Co-Basis-Superlegierungen eingesetzt werden können. Diese werden hinsichtlich ihres Schmelzverhaltens, ihrer Mikrostruktur und ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die wesentliche Herausforderung besteht in der Vermeidung von Sprödphasenbändern im Lötgut, welche die Eigenschaften der Verbindungen verschlechtern, auch bei großen Spaltbreiten. Hierzu wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Legierungskonzept erarbeitet und umgesetzt. Es werden Schmelztemperaturen im Bereich kommerzieller Co-Basislote erreicht ohne dass nachteilige Sprödphasenbänder gebildet werden. Bei den mit kommerziellen Loten besonders kritischen zu lötenden großen Spaltbreiten zeichnen sich die entwickelten Legierungen durch erhöhte Zugfestigkeit und Duktilität aus. Das Potenzial der Lote wird anhand von Zugversuchen bei geringen und großen Spaltbreiten aufgezeigt, deren Ergebnisse mit der Mikrostruktur und in-situ Analysen zum Rissfortschritt korreliert werden. / This thesis deals with the development of novel Co-based brazing fillers, which can be employed for brazing of Co-based superalloys. The developed filler alloys are characterized with regard to their microstructure and their mechanical properties. The main challenge is the prevention of brittle intermetallic phase seams inside the braze metal, especially at high gap width. These phase seams deteriorate the mechanical properties of the joints significantly. For this purpose a new alloying concept is investigated. The melting temperatures of the developed filler alloys are similar to commercially available Co based fillers. Detrimental intermetallic phase seams do not occur. At high gap width, the developed filler alloys exhibit superior mechanical properties in comparison to commercially available fillers. The capability of the developed filler alloys is demonstrated using monotonic tensile tests at low and high gap width at different test temperatures. The results are correlated with the microstructure and in-situ analyses of the mechanisms of crack growth.