Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige keramik- und stahlreiche Verbundwerkstoffe, auf Basis von MgO-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid und hochlegiertem austenitischem TRIP Stahl entwickelt. Die keramikreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 30 Vol.% metallischer Partikelverstärkung wurden über die Schlickergusstechnologie bzw. die Druckschlickergusstechnologie hergestellt und können als thermo-mechanisch beanspruchte Bauteile zum Einsatz kommen. Es wurden weiterhin metallreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 10 Vol.% keramischer Partikelverstärkung erstmalig über die Papiertechnologie hergestellt. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten metallreiche Leichtbaustrukturen mit verbesserten Energieabsorptionsvermögen zu erzeugen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung der keramikreichen Schlicker, die Formgebungstechnologien, die Entwicklung geeigneter Entbinderungs- und Sinterregime sowie die Charakterisierung der Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Mikrostruktur sowie der mechanischen bzw. der thermo-mechanischen Eigenschaften.

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

Inert gas atomization is one of the main sources for production of metal powder forpowder metallurgy and additive manufacturing. The obtained final powder size distribution iscontrolled by various technological parameters: gas flow rate and pressure, liquid metal flowrate, gas type, temperature of spraying, configuration of nozzles, etc. This work explores anotherdimension of the atomization process control: modifications of the liquid metal properties andtheir effect on the obtained powder size. Series of double-alloyed Cr-Mn-Ni steels with sulfur andphosphorus were atomized with argon at 1600◦C. The results indicate that surface tension andviscosity modifications lead to yielding finer powder fractions. The obtained correlation is comparedwith the individual modification of surface tension with S and Se and modification of viscosity withphosphorus. Discrepancy of the results is discussed. Additives of surfactants and viscosity modifierscan be a useful measure for powder fractions control.

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die lokale Phasenanalyse keramischer Systeme mittels EBSD. Insbesondere bei MMC auf der Basis von TRIP-Stahl/Mg-PSZ ist die Ortsauflösung der bisher üblichen XRD-Phasenanalyse nicht ausreichend. Das gilt auch für die Analyse von Grenzflächenreaktionen, wie sie zum Beispiel bei Korrosionsprozessen auftreten. Es wurde eine Methode der Probenpräparation entwickelt und erfolgreich für unterschiedliche keramische Systeme eingesetzt. Ein Ergebnis ist der Nachweis von spannungs-assistierten Phasenumwandlungen in Mg-PSZ. Zweiter Schwerpunkt ist die Entwicklung einer in situ Druckverformungsapparatur für einen Labor-Röntgen-Tomographen. Mit dieser Apparatur können Druckverformungskräfte bis 100 kN erreicht werden. Tomographische Untersuchungen werden unter Druckspannung durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurde insbesondere das Verformungs- und Schädigungsverhalten von MMC in Form von Schäumen und Wabenkörpern detailliert untersucht.

Kohlenstoffgebundene Filterwerkstoffe erfreuen sich stetig wachsender Beliebtheit seitens der Industrie. Deren Potenzial hinsichtlich stofflicher und verfahrenstechnischer Eigenschaften erscheint dennoch nicht in vollem Umfang genutzt. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit, welche innerhalb des Sonderforschungsbereiches 920 entstand, erstmals aktive (Al2O3-C) und reaktive (MgO C) Filter, sowie eine Kombination daraus entwickelt. Die aktiven Filtersysteme, deren Funktionalisierung einerseits über die Erhöhung des amorphen Kohlenstoffanteils, andererseits über die Beschichtung mit rein oxidischen Materialien stattfand, sowie die reaktiven Filter, bei denen sich der carbothermischen Reduktion des MgO bedient wurde, konnten, in Kollaboration mit der Industrie, erfolgreich getestet werden. Durch gezielte Kontamination des Stahls mit exogenen Einschlüssen auf Basis von Al2O3 und MgAl2O4, ist es gelungen dem Chemismus der jeweiligen Filter einen entscheidenden Beitrag zum Filtrationsprozess zuweisen zu können. So weist Aluminiumoxid, unabhängig vom Chemismus des Einschlusses, das vergleichsweise größte Filtrationspotenzial auf.

Der Untersuchung der Heißwasserkorrosion wird mit Hinblick auf ihre praktische Bedeutung in der Chemie- und Kraftwerksindustrie ein großes Interesse gewidmet. Bei dem Betrieb von KKW- Druckwasserreaktoren stellen die häufig auftretenden Verfügbarkeitseinschränkungen bzw. nötigen Erneuerungen von Dampferzeugern (DE) aufgrund von korrosiven Schädigungen der Nadelrohre ein weltweites Problem dar /1/. Dampferzeugernadelrohre, die Primär- und Sekundärkreislauf trennen, sind wegen ihrer geringen Wandstärke (1,4 mm) die einen möglichst großen Wärmeübergang realisieren soll, eine besondere Schwachstelle im System /2/.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2009

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I / This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.:Tabellenverzeichnis vi Abbildungsverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis xiv 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Leichtbauprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.1 Prinzipien in der Entwurfsphase . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1.2 Prinzipien in der Konstruktionsphase . . . . . . . . . 6 2.1.2 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2.1 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2.3 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Selektives Laserstrahlschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1.1 Prozesskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.2 Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Physikalische Aspekte der Interaktion zwischen Laser und Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1.4 Erstarrung aus der Schmelze . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Stand der Technik/Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Werkstoffe/Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.2 Additive Fertigung von Titanaluminiden . . . . . . . . . . . . 26 2.3.3 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Selektives Laserstrahlschmelzen von Stahl . . . . . . . . . . . 32 2.4 Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Materialien und Herstellung 39 3.1 Pulverherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.2 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Selektive Laserstrahlschmelzanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Modifikationen der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Gasreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Substratheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Selektive Laserstrahlschmelzexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.1 Parametersuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.2 Einzelschmelzbahn-Experimente . . . . . . . . . . . 47 3.4.1.3 Statistische Versuchspläne . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1.4 Variation des Substratmaterials . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.5 Variation des Schraffurstils . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1.6 Versuche bei erhöhten Temperaturen . . . . . . . . . 51 3.4.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.1 Prozessparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.2 Variation der Prozessparameter . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2.3 Komplexe Probengeometrien . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Oberflächenbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.7 Gussexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 Charakterisierung 60 4.1 Strukturelle und mikrostrukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . 60 4.1.1 Chemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Lichtmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.3 Raster-Elektronen-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1.4 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5 Dichtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.1 Geometrische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.5.2 Archimedisches Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.5.3 Metallographische Methode . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.6 Thermische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Mechanische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Verformungsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Pulvercharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Pulvergrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Fließfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Rauheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5 Ergebnisse und Diskussion 67 5.1 Titanaluminid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1 Ausgangsmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.1.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 68 5.1.2 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.1 Legierung Ti48Al48Cr2Nb2 . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3.2 Legierung Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 . . . . . . . . 84 5.2 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Pulvermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.2 Gussgefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Gefüge der mit SLM hergestellten Proben . . . . . . . . . . . 108 5.2.4 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Modifikation des Oberflächenzustandes . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.6 Zellulare Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.1 Kubisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2.6.2 Pyramidales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.2.6.3 Tetragonales Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.6.4 Dodekaedrisches Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.2.6.5 Zugstäbe mit Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . 140 6 Zusammenfassung 142 7 Ausblick 146 Literaturverzeichnis 148 8 Anhang I