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.

In der Arbeit werden einfache Möglichkeiten zur experimentellen Simulation der Schnellerstarrung von Stählen durch Tauchen eines Kupferstabes in ein Stahlbad aufgezeigt. Zum Verständnis des Erstarrungsvorganges beim Tauchen wurde ein mathematisches Modell erstellt. Im Vergleich der Modellergebnisse mit den Messergebnissen wurde eine gute Übereinstimung gefunden. Mit Hilfe des Modells wurden die Erstarrungsparameter der gesamten lokalen Erstarrungszeit, der lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit, der lokalen Abkühlgeschwindigkeit und der gesamten lokalen Erstarrungswärmestromdichte bestimmt. Durch mikroskopische Untersuchungen der Stahlerstarrungsschichten wurde die Abhängigkeit des Sekundärdendriten-Armabstandes und der Größe der nichtmetallischen Einschlüsse von den oben genannten Erstarrungsparametern gefunden. Das mathematische Modell wurde von einem rein „thermischen“ in ein „thermisch-strukturelles“ erweitert. Dazu wurden die über die metallographischen Untersuchungen erhaltenen Abhängigkeiten benutzt. Mit Hilfe der ermittelten Großen können technische Erstarrungsvorgänge der kontinuierliche, konventionellen und endmaßnahen Gießverfahren für Stähle beschrieben werden.

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.

Zur Herstellung von Stabstahl der Sorte 15MnCrMoV4-8 ist die thermomechanische Behandlung erprobt worden. Diese erfolgte in Kombination mit der kosten- und energiesparenden Wärmebehandlung aus der Walzhitze. Dabei wurde besondere Aufmerksamkeit der chemischen Zusammensetzung gewidmet. Sie wird aus der Sicht kostenintensiver Legierungselemente, wie sie in Kombination mit Umformung und Abkühlung zum Erreichen eines mechanischen Eigenschaftsprofils führen, betrachtet. Das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften ist aus der Anwendung dieser Stahlsorte für die Fertigung von Pumpenstangen aus dem Bereich der Ölfördernden Industrie abgeleitet worden. Bei den entwickelten und erprobten Herstellungstechnologien haben ein Teil der Stahlstäbe der gewählten Legierungen das geforderte Eigenschaftsniveau von Halbzeugen für die ölfördernde Industrie erreicht. Ein Teil davon hat sogar das Eigenschaftsprofil einer höheren Festigkeitsklasse, die zu Gewichts- und Energieeinsparungen führt. Die angestrebte Lebensdauer, ermittelt durch Schwingfestigkeitstests unter atmosphärischen Bedingungen sowie im korrosiv-wässrigen 3%NaCl-Medium, ist bei fast allen untersuchten Werkstoffen erreicht worden.

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.

Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Entwicklung hochfester Grobblechstähle mit erhöhtem Gehalt an der MA-Phase (Martensit-Austenit Phase). Dabei wurden Bildungsmechanismen der Mikrostruktur und insbesondere der MA-Phase in Abhängigkeit von der Walztechnologie an vier mikrolegierten Grobblechstählen untersucht. Zu diesem Zweck erfolgten zahlreihe Untersuchungen an verschiedenen Prüf- und Simulationsanlagen zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens sowie zur physikalischen Simulation der Grobblechherstellung mit der Anwendung von bekannten und neu entwickelten Wärmebehandlungstechnologien. Abschließend wurden mehrere Serien von Laborwalzversuchen auf einer Warmwalzpilotanlage durchgeführt, um die gewonnenen Erkenntnisse zu evaluieren, sowie die für Pipelinestähle relevanten mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Somit erstreckt sich die Arbeit über die gesamte Produktionskette zur Erzeugung der Grobblechstähle mit MA-Phase und beschreibt hierfür geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind.

In den letzten Jahren wurde umfangreich über Wirkprinzipien berichtet, die zur Verbesserung der Passivschichtstabilität von Fe-Basislegierungen durch Legierungsbestandteile, wie Cr [1-3] und Al [4-6] beitragen. Die Zahl der Arbeiten zu Untersuchungen mit dem Legierungsbestandteil Si sind dagegen gering und lassen noch keine endgültige Schlußfolgerung zu. Insbesondere sind verschiedene Wirkmechanismen bei unterschiedlichen ph-Werten zu erwarten.

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/.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und der Wirkung von Mikroseigerungen auf das Werkstoffverhalten moderner 9% Cr-Stähle. Hierzu wurden drei Werkstoffchargen der Güte MARBN hinsichtlich der Mikrostruktur, des Zeitstandverhaltens, des Verhaltens während einer thermo-physikalischen Schweiß- sowie Wärmebehandlungssimulation auf quantitativer Ebene eingehend untersucht. Mit Hilfe von licht-, rasterelektronen- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden wurden die Art, Größe, Verteilung und Elementzusammensetzung der Mikroseigerungen einer jeden Charge bestimmt. Eine Prüfung des Zeitstandverhaltens bei 650 °C und unterschiedlichen Spannungen zeigte eine chargenabhängige Zeitstandfestigkeit, welche unterhalb der üblichen Zeitstandfestigkeiten für homogene MARBN Güten liegt. Durch die thermo-physikalische Schweißsimulation konnte nachgewiesen werden, dass die Mikroseigerungen sämtlicher Chargen ab einer Spitzentemperatur von 1.000 °C zu unerwünschtem Deltaferrit umwandeln, dessen Ausprägung ebenfalls eine Chargenabhängigkeit zeigte. Weiterhin wurde der Einfluss normalisierender Wärmebehandlungen auf das mikroseigerungsbehaftete Gefüge mit Hilfe von thermo-physikalischer Simulation untersucht. Es zeigte sich, dass alle drei Chargen zur deutlichen Ausbildung von unerwünschtem Deltaferrit im Bereich der Mikroseigerungen bei üblichen Normalisierungstemperaturen neigen. Das chargenabhängig unterschiedliche Werkstoffverhalten konnte mit den charakterisierten Mikrostrukturen und dem Grad der Gefügeinhomogenität korreliert werden. Aus einer Variation der Normalisierungsbedingungen ging hervor, dass durch eine konventionelle einstufige Wärmebehandlung keine homogene und deltaferritfreie Mikrostruktur erzeugt werden kann. Aus diesem Grund wurde eine dreistufige Wärmebehandlung entwickelt und appliziert, mit dem Ziel einer schrittweisen Auflösung und Verteilung der in den Mikroseigerungen gebundenen Elemente. Die Wirksamkeit der Homogenisierungen in Bezug auf die Mikrostruktur, die Elementverteilung, das Schweißverhalten sowie das Zeitstandverhalten konnte erfolgreich nachgewiesen werden. So zeigte sich eine homogene Mikrostruktur, eine signifikante Reduzierung des Deltaferritanteils bei sämtlichen simulierten Spitzentemperaturen, sowie eine deutliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit aller drei Chargen.

Das hier vorgestellte Vorhaben hat die Entwicklung eines neuartigen Sensor- und Messtechnikkonzepts zur Erfassung der Maximalwerte mechanischer Belastungen von Bauteilen bestehend aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen mit polymerer Matrix (CFK) zum Ziel. Dazu wurden Untersuchungen zur Anwendbarkeit der spontanen Magnetisierung durch die martensitische Gefügeumwandlung metastabiler Stähle als möglicher Sensoreffekt durchgeführt. Als ein einfaches passives Sensorverfahren hat die Ausbildung einer spontanen Magnetisierung durch die Gefügeumwandlung ein denkbares Anwendungspotenzial. Es ist keine permanente Energieversorgung des Messsystems erforderlich, der Sensor ist vollständig und ohne Kontakt zur Umgebung im Bauteil einbettbar und eine äquivalente Information der maximalen Last ist unauslöschbar im Sensor eingeprägt. Durch kontakt- und zerstörungsfreie Verfahren kann das Auslesen erfolgen. Um die Eignung des Effekts zu überprüfen, erfolgten verschiedene Untersuchungen. Die Ergebnisse von Zugversuchen, durchgeführt an eingebetteten und nicht eingebetteten Sensorproben, und die Messwerte magnetischer Messungen der Sensormagnetisierung wurden zur Ermittlung einer Abhängigkeit zwischen dem Grad der Belastung und der Änderung der Magnetisierung infolge der martensitischen Transformation korreliert. Mittels metallografischer Untersuchungen sowie durch Röntgenbeugung erfolgte zudem der Vergleich zwischen dem Martensitgehalt und den Messergebnissen zur spontanen Magnetisierung. Der vorliegende Artikel beschreibt die Grundlagen des ausgewählten Sensorprinzips, die durchgeführten Arbeiten und erläutert die Ergebnisse der Untersuchungen.