Untersuchung der Laser-Material-Wechselwirkung von funktionalisierten diamantimprägnierten Metallmatrix-Verbunden im Laser-Strahlschmelzprozess
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Ziel des Projekts ist die Generierung eines grundlegenden Verständnisses von Wechselwirkungen, die beim Schmelzen und Erstarren diamantverstärkter Metall-Matrixverbunde (DMMC) während des Laser-Powder-Bed-Fusion-Prozesses (LPBF) auftreten. DMMCs werden in dem hier verfolgten Ansatz aus einer Mischung von Diamanten und Stahlpulver (1.4404) erzeugt. Da Diamanten bei ca. 720°C graphitisieren, werden Arc-PVD Beschichtungen auf die Diamant-Partikel appliziert und der Einfluss der Laser-Einwirkung auf die Graphitisierung untersucht.
Die metallischen Beschichtungen werden zudem genutzt, um karbidische Grenzflächenreaktionen zwischen den Diamanten und der metallischen Matrix hervorzurufen, wodurch einerseits starke Bindungen und andererseits eine Diffusionsbarriere erzeugt wird. Die Applikation hochschmelzender Mo- und W-Schichten schützt, bei angepasster Prozessführung und geeigneter Schichtdicke, die Diamantpartikel vor direktem Kontakt mit der Schmelze. Matrixmaterialverwandte Schichten, wie Ni, Cr oder Ti dienen als diffusionsfördernde Schmelzphasen, welche die Anbindung zur Matrix fördern. Um beide Effekte auszunutzen, werden Multilayer-Schichten synthetisiert, welche sowohl das hochschmelzende Metall als auch die Schmelzphase kombinieren.
Ein weiterer zentraler Aspekt dieses Projekts beschäftigt sich mit der Laser-Pulver-Interaktion und inwiefern die Funktionalisierung der Partikeloberflächen die Bindungsmechanismen beim LPBF-Verfahren beeinflussen. Die systematische Analyse der Prozesseinstellgrößen und –strategien erfolgt experimentell durch Aufschmelzversuche von Linien und Primitiv-Geometrien. Mithilfe von Pyrometrie werden in-situ Temperaturmessungen durchgeführt, welche die thermische Historie in der Wärmeeinflusszone (WEZ) dokumentiert.
Letztendlich führt die Verarbeitung von DMMC-Materialien im LBPF-Verfahren aufgrund des fest-flüssig-Phasengemisches zu einer komplexen Schmelzbaddynamik, die in Abhängigkeit der Prozesseinstellgrößen und den Eigenschaften des Pulvergemisches die sich einstellenden Partikelagglomerationen und den Schichtverbund beeinflusst. Im Rahmen des Vorhabens werden die Auswirkung der Prozesssteuerung und des Materials auf die Ausprägung des Schmelzbades und mögliche störende Effekte (Plateau-Rayleigh-Instabilität, Balling-Effekte, Marangoni-Konvektion, Spritzerbildung und resultierenden Partikelagglomerationen) bestimmt. Es gilt aufzuzeigen inwieweit eine Homogenisierung der Partikelverteilung durch eine Steigerung der Marangoni-Zahl als Folge eines erhöhten Energieeintrags mit einer Vermeidung thermisch induzierter Graphitisierung vereinbar ist und inwiefern die von der Temperatur und Diamantfraktion des Pulvers abhängige Schmelzbadviskosität und Verweilzeit des Schmelzbades den Vorgang beeinflusst. Dabei ist zu berücksichtigen, dass mit steigender VED eine zunehmende Spritzerbildung sowie Tief-Schweiß-Effekte zu erwarten sind.
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Sachbeihilfe TI 343/189-1