Grenzflächeninteraktion additiv gefertigter, mittels PVD beschichteter Verbundsysteme - Korrelation von Oberflächenverfestigung, Eigenspannungen, Rauheit und Zeitfestigkeit

Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen (L-PBF) haben sich zu etablierten Herstellungsverfahren im Prototypenbau entwickelt und eröffnen neue Möglichkeiten in der Designfreiheit metallischer Komponenten für den Maschinen- und Automobilbau bei gleichzeitig hoher Kosteneffizienz. Derartige funktionale Bauteile unterliegen oftmals einer dynamischen Belastung. Um tribologisch beanspruchte Funktionsflächen vor einem frühzeitigen Verschleiß zu schützen, hat sich die Applikation von nitridischen PVD-Hartstoffschichten zu einem etablierten Lösungsansatz entwickelt. Das Ermüdungsverhalten von mittels L-PBF gefertigten Stahlsubstraten im Verbundsystem Stahlsubstrat/PVD-Schicht unter mechanisch-zyklischer Belastung blieb jedoch bisher weitgehend unberücksichtigt. Erste Vorarbeiten zeigen, dass die Beschichtung von mittels L-PBF gefertigten 316L-Substraten mit CrAlN-Hartstoffschichten zu einer Steigerung der Kurzzeitfestigkeit führt. Das Schichtwachstum sowie die resultierende Haftfestigkeit werden durch die kristalline Mikrostruktur und den Eigenspannungszustand der L-PBF-Substratoberfläche infolge des Bauprozesses sowie mechanischer Vorbehandlungsverfahren beeinflusst, wobei die direkten Wirkzusammenhänge ungeklärt sind. Ferner ist deren Auswirkung auf die Zeitfestigkeit unklar.

Ziel dieses Forschungsvorhaben ist es, den Einfluss unterschiedlicher Randzonenmodifikationen von mittels L-PBF gefertigten Stahloberflächen, d.h. eine dem Belastungskollektiv gerechte Anpassung der mechanischen Eigenschaften (Randzonenaufhärtung, Eigenspannungszustand) und kristallinen Mikrostruktur mittels mechanischer, thermischer und thermochemischer Substratvorbehandlungen, auf die Nukleations- und Wachstumsphase von PVD-Dünnschichten sowie deren Auswirkung auf die Zeitfestigkeit von L-PBF-Substrat/PVD-Schicht-Verbundsystemen zu untersuchen. Hierzu werden zwei mittels L-PBF verarbeitete Stähle, der austenitische Stahl 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2 bzw. 316L) sowie der Vergütungsstahl 1.6773 (36NiCrMo16) den Teilprozessen Polieren, Plasmanitrieren und Spannungsarmglühen zugeführt, um eigenschaftsdifferenzierte Oberflächen(-interfaces) bereitzustellen. Die resultierenden mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften werden mithilfe metallografischer und röntgenografischer Methoden sowie mechanisch-technologischer Prüfverfahren analysiert. In Abhängigkeit der unterschiedlich vorbehandelten L-PBF-Substrate werden die Haftfestigkeit und das Schichtwachstum von in der Stöchiometrie unterschiedlichen Cr_1-xAl_XN-Schichtsystemen untersucht. Das Langzeitverhalten der L-PBF-Substrat/PVD-Schicht Verbundsysteme wird mittels Ermüdungsversuche (high cycle fatigue) evaluiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse korreliert, um die werkstoffmechanischen Vorgänge infolge mechanischer, thermischer und thermochemischer Bearbeitungsverfahren von (beschichteten) L-PBF-Bauteilen zur Steigerung der Zeitfestigkeit zu erschließen.

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