U02 - Laser-Tieflegieren zur Einstellung fein abgestufter Legierungszustände

Projektbeschreibung

Im Teilprojekt U02 werden Mikroproben unterschiedlicher Legierungszusammensetzung erzeugt, auf deren Grundlage Einfärbungszustände generiert und Deskriptoren ermittelt werden sollen. Hierzu wird eine laserbasierte Methode entwickelt, die es ermöglicht, reproduzierbar Legierungen in feiner Abstufung der Zusammensetzung für Hochdurchsatzverfahren herzustellen. In einem ersten Prozessschritt werden Elementschichten auf dem Substratwerkstoff vordeponiert. Dies erfolgt in Form von Legierungselementlagen mittels selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) und in Form von Reinelementlagen, die durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht werden. Das Erzeugen der Legierungen wird durch das laserbasierte Umschmelzen und Durchmischen der einzelnen Legierungselementlagen mit dem Substrat über einen scannergeführten Laser-Tieflegierprozess realisiert.

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Ziel ist die Erzeugung homogener Legierungen definierter Zusammensetzung. Die Beherrschung des Tieflegierprozesses hinsichtlich der Einschweißtiefe und der Homogenität des Umschmelzbades ist hierfür unabdingbar. Durch eine auf der kurzkohärenten Interferometrie basierenden In-situ-Regelung der Einschweißtiefe soll die Möglichkeit geschaffen werden, ein definiertes Umschmelzvolumen einzustellen. Die Homogenität innerhalb eines Legierungszustandes soll mittels In-situ-Erfassung des Emissionsspektrums des prozessinduzierten Plasmas auf Basis der Annahme festgestellt werden, dass sich die charakteristischen Linien des Spektrums in einem festgelegten Bereich nicht mehr ändern, wenn eine gleichmäßige Durchmischung des Schmelzbades erreicht ist. Neben der Untersuchung des Einflusses verschiedener Modulationsstrategien des Laserstrahls auf die Homogenität des Umschmelzbades sollen auch Varianten der Prädeponierung der Elementlagen hinsichtlich ihrer Eignung zur anschließenden homogenen Durchmischung im Umschmelzvolumen untersucht werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, neben einer homogenen Durchmischung auch ein homogenes Gefüge der Proben gezielt einzustellen. Hierzu bedarf es neben dem Tieflegierprozess einer nachträglichen Wärmebehandlung mit kontrollierter Abkühlung. Mit Hilfe einer Emissionswert kompensierenden Quotienten-Pyrometerkamera  sollen Abkühltemperaturrampen eingestellt werden, indem die Oberflächentemperatur aufgezeichnet und ausgewertet wird. Neben den laserlegierten Proben werden auch sphärische Mikroproben aus dem Teilprojekt U01 einer Kurzzeitwärmebehandlung unterzogen und die Abhängigkeit zwischen eingestellten Parametern und resultierendem Gefüge untersucht.