Gradientenwerkstoffe (FGMs) sind Werkstoffe mit örtlich variierenden, funktionalen Eigenschaften, die auf eine graduelle Änderung der chemische Zusammensetzung, der Dichte (Poren) und/oder des Gefüges zurück zu führen sind. Der optimierten Reaktion eines bestimmten FGMs liegt eine örtlich angepasste Struktur-Eigenschafts-Beziehung zu Grunde, welche sich auf unterschiedlichen Längenskalen und hierarchischen Ebenen äußert. Um ein Verständnis für diese sich räumlich verändernden Reaktionen erlangen zu können, müssen FGMs mit geeigneten Methoden auf der Makro-, der Mikro- und der Nanoskala untersucht werden.
Methodisch liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der experimentellen Charakterisierung von Eigenschaften des Grundmaterials und gezielt veränderten Gradientenbereichen nahe der Probenoberflächen metallischer FGMs, die mittels Röntgenbeugung am Querschnitt (CSmicroXRD) unter der Verwendung hochenergetischer Synchrotronröntgenstrahlung untersucht wurden. Die Ergebnisse wurden durch weitere Mikro- und Nanohärteprüfserien, verschiedene Mikroskopietechniken und chemische Analysen ergänzt und verifiziert. Diese Arbeit stellt insgesamt sechs verschiedene Anwendungsfälle der Charakterisierung von Eigenschaften am Querschnitt vor, welche durch den Einsatz der eben beschriebenen Methoden untersucht wurden. Es handelt sich dabei um drei FGMs, deren Gradienten mechanisch oder thermochemisch erzeugt wurden und drei weitere Fälle, in denen FGMs über das Laserstrahlschmelzverfahren (PBF-LB) hergestellt wurden. Es zeigt sich, dass die entwickelte Herangehensweise der Charakterisierung ein geeigneter Ansatz ist, um die räumlichen Variationen der Gefügeeigenschaften, Eigenspannungen, Kornmorphologien, Phasen- und chemischen Gradienten lokal zu untersuchen und in weiterer Folge mit den verwendeten Prozessparametern zu korrelieren.
Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Anwendung des entwickelten Charakterisierungsansatzes. Konkret wurden Multi-Metall-Hybridstrukturen untersucht, welche durch ein schlickerbasiertes Laserstrahlschmelzverfahren additiv hergestellt wurden. Der experimentelle Teil der Arbeit konzentriert sich dabei auf die Analyse der Variation der strukturellen und mechanischen Eigenschaften in einer einzelnen Lage und in Baurichtung, wobei besonderes Augenmerk auf das Verständnis (i) der kontinuierlichen Entwicklung von Eigenspannungen im additiven Prozess und (ii) des Einflusses von Grenzflächen zwischen den verschiedenen Metalllegierungen gelegt wurde.
Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in vier Publikationen veröffentlicht die hier kurz beschrieben sind:
- Die Eigenschaften eines niederdruckaufgekohlten Einsatzstahls 18CrNiMo7-6, eines plasmanitrierten Warmarbeitsstahls W300 und eines kugelbestrahlten, hochfesten Stahls 300M wurden an der Beamline P07 des Speicherings PETRAIII in Hamburg untersucht. Ermittelte Eigenspannungsverläufe konnten erfolgreich mit gemessenen Härtegradienten, chemischen Gradienten, Phasenverteilung und Korngröße) und den ursprünglich verwendeten Prozessparametern in Zusammenhang gebracht werden.
- Zylinderförmige Proben aus der korrosionsbeständigen S316L Stahllegierung wurden mittels Laserstrahlschmelzens im Pulverbett unter Anwendung von drei verschiedenen Laserscanstrategien hergestellt. CSmicroXRD und verschiedene Mikroskopiemethoden zeigen den Zusammenhang der verwendeten Prozessparameter mit der Ausbildung von Texturen im Material. Diese Publikation dokumentiert, wie FGMs in einem konventionellen PBF-LB Prozess nur durch die Adaption der Prozessparameter hergestellt werden können.
- Schlickerbasiertes Laserstrahlschmelzen wurde zur Herstellung einer Multimetall-Hybridstruktur verwendet, die aus S316L und der Nickelbasis-Superlegierung IN625 besteht. Beide Legierungen wurden entlang der Baurichtung (interlayer Variation) mehrere Duzend Male variiert. Die entstandene Struktur wurde in mehreren Größenskalen bis in den Nanometerbereich untersucht, wobei insbesondere die Entwicklung der Eigenspannung entlang der Bauhöhe durch das periodische Wechseln von S316L und IN625 komplex beeinflusst wurde. Im Gefüge vorhandene, kugelförmige Ausscheidungen konnten als Si- und Nb-reiche CrMOx Partikel identifiziert werden. Die Ausscheidung dieser Oxide im Prozess zeigt die Möglichkeit auf, FGMs mit einem hierarchischen Aufbau direkt herzustellen.
- Auf Basis der erzielten Ergebnisse des eben beschriebenen Anwendungsfalls wurde eine zweitere S316-IN625 Gradientenprobe hergestellt, wobei die beiden Legierungen nun sowohl in Baurichtung (interlayer-) als auch innerhalb einer einzelnen Schicht (intralayer Variation) variiert wurden. Der gesamte Querschnitt der erzeugten Struktur wurde mittels CSmicroXRD abgerastert. Die Ergebnisse zeigen, dass schlickerbasiertes Laserstrahlschmelzen die Erzeugung biomimetischer Multimetall-Materialien ermöglicht, in denen sich das Rissausbreitungsverhalten günstig beeinflussen lässt.