Aktuelle Projekte – Institut für Werkstoffkunde

Medizintechnik

Grenzflächeneffekte und Einwachsverhalten von Magnesiumschwämmen als bioresorierbares Knochenersatzmaterial

Im Rahmen dieses Teilprojektes werden schwammartige Strukturen aus diversen Magnesiumlegierungen mittels Feinguss hergestellt. Durch Variation der Legierungselemente und Beschichtungen werden die Grenzflächeneffekte, wie die Degradation und das Anwachsen von Zellen, und die Biokompatibilität eingestellt. Die fertigen Implantate (gegossen und z.T. beschichtet) werden sowohl in einer Körperersatzflüssigkeit, als auch in Zusammenarbeit mit der Chirurgischen und Gynäkologischen Kleintierklinik der Ludwig-Maximilians-Universität München in vivo analysiert. Dabei können sich die Eigenschaften, vor allem die mechanischen Kennwerte, mit der Degradation stark verändern. Diese werden im Laufe der Degradation, wie auch das Korrosionsverhalten und die Biokompatibilität, analysiert. Ziel dieses Projektes ist die Herstellung von Knochenimplantaten auf Magnesiumbasis. Der Vorteil von Magnesium ist, dass es nicht toxisch und bioabsorbierbar ist, das heißt es wird vom Körper ohne eine schädliche Wirkung vom Körper abgebaut, während der Knochen in die poröse Schwammstruktur eindringen kann. In diesem Fall wird eine zweite Operation eingespart und die Gefahr für Komplikationen und mögliche Schäden im Körper reduziert.

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: 09/2015-08/2018

SFB Regeneration

FOR1766 – Teilprojekt TP4: Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen – Von den Grundlagen zur Anwendung

Neue Legierungen werden in der Industrie nur verwendet, wenn deren Verhalten unter Betriebsbedingungen exakt vorhergesagt werden kann. Daher ist die Entwicklung neuer kostengünstiger Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen nicht das einzige Ziel der Forschergruppe. Vielmehr sollen die neuen Legierungen vollständig charakterisiert werden, um eine vollständige Datenbank zu generieren und um Modelle zu entwickeln, die die Lücke zwischen atomarer und makroskopischer Ebene überbrücken. Dafür werden zyklische Experimente zur funktionellen Degradation der Legierungen sowie detaillierte Untersuchungen hinsichtlich der Mikrostruktur durchgeführt.

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: bis 10.2018

[nicht kategorisiert]

SFB TR73 - Teilprojekt C4: Analyse der belastungspfadabhängigen Schädigungs- und Mikrostrukturentwicklung zur numerischen Auslegung von Blech-Massiv-Umformprozessen

Der Prozess der Blech‐Massiv‐Umformung soll die Herstellung von Bauteilen mit Funktionselemente aus Feinblech‐Halbzeugen ermöglichen. Aufgrund komplexer Belastungspfade und Umformsequenzen muss in diesem Projekt ein neuer Ansatz zur Vorhersage der Werkstoffschädigung und Restbelastbarkeit entwickelt werden.

Jahr: 2011

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/2013 - 12/2020
SFB 1153 – Teilprojekt A2: Wärmebehandlung für belastungsangepasste Werkstoffeigenschaften von Tailored Forming-Komponenten

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1153 „Tailored Forming“ werden im Teilprojekt Wärmebehandlungsstrategien für Tailored Forming-Komponenten entwickelt. Ziel ist dabei eine lokale Anpassung der Werkstoffeigenschaften. Neben dieser lokalen Anpassung der mechanischen Eigenschaften sollen zudem die Erwärmung- und Abkühlvorgänge über die gesamte Prozesskette betrachtet und dabei Zielkonflikte zwischen Umform- und Wärmebehandlungsparametern aufgelöst werden. Da die Verbundzone der Fügepartner die entscheidende Herausforderung darstellt, kommt der Analyse ihrer Entwicklung (Schichtdicke, mikrostrukturelle Zusammensetzung) in allen Prozessschritten eine besondere Bedeutung zu. Um die Wärmebehandlung zu realisieren, wird eine auf Induktionserwärmung und Luft-Wasser Spraykühlung basierende Temperierungsanlage Entwickelt (siehe Abb. 1). Im Nachgang an das Härten der Stahl-Funktionsflächen kann dann eine simultane Wärmebehandlung von Stahl-Aluminium-Verbunden über verschiede Routen entwickelt und analysiert werden (Abb.2)

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: 07/2015 - 06/2019
SFB 1153 – Teilprojekt A1: Einfluss der lokalen Mikrostruktur auf die Umformbarkeit stranggepresster Werkstoffverbunde

Im Mittelpunkt dieses Teilprojektes steht die Entwicklung eines Verbundstrangpress-Prozesses, der die Herstellung kontinuierlicher Hohlprofile bestehend aus einer Aluminiumlegierung und einem Stahl ermöglicht. Die stranggepressten Verbundprofile dienen als Halbzeuge für die Herstellung von Tailored Forming-Lagerbuchsen im Rahmen eines nachgeschalteten Schmiedeprozesses und stellen deshalb besondere Herausforderungen an die Halbzeugqualität.

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: 07/2015 - 06/2019
SPP 1640 – Teilprojekt A4: Elektrochemisch unterstütztes Fügen blechförmiger Werkstoffe

Kurzbeschreibung: Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein innovatives umformtechnisches Fügeverfahren grundlegend untersucht werden, das elektrochemisch unterstützte Fügen (ECUF). Durch den Einsatz eines inkrementellen Wirkprinzips zusammen mit einer speziellen elektrochemischen Inline-Vorbehandlung sollen bestehende Restriktionen von Pressschweißverfahren hinsichtlich der Flexibilität, möglicher Materialkombinationen oder auch Fügestellengeometrien überwunden werden. Die Charakterisierung und Analyse der hergestellten Verbindung ist die Grundlage für eine gezielte Anpassung und Weiterentwicklung des Fügeprozesses und seiner Parameter. Mit diesem neuen Fügeverfahren soll eine Erweiterung des Anwendungsspektrums im Hinblick auf die effiziente Herstellung partiell verbundener Leichtbaustrukturen aus metallischen Werkstoffen erreicht werden.

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: bis 31/12/18
SFB TR73 - Teilprojekt C6: Ermüdungsverhalten von blechmassivumgeformten Bauteilen

Im Rahmen des SFB Transregio 73 werden im Teilprojekt C6 - „Ermüdungsverhalten“ die Mechanismen der Materialermüdung infolge zyklischer Beanspruchung eines blechmassivumgeformten Bauteils untersucht. Dabei wirken Fehlstellen in der Mikrostruktur, die durch die hohen Umformgrade bei diesen Umformprozessen entstehen bzw. wachsen, als mögliche Rissinitiatoren und haben einen bislang noch unerforschten Einfluss auf die Lebensdauer der Werkstücke.

Jahr: 2015

Förderung: DFG

Laufzeit: 07/2013 - 12/2020
SPP 2006 CCA-HEA – Teilprojekt 5: Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Mikrostruktur und funktionaler Ermüdung in Hochentropie-Formgedächtnislegierungen

Hochentropie-Formgedächtnislegierungen stellen eine neue, faszinierende Gruppe von funktionalen Materialien dar, die in den verschiedensten Bereichen genutzt werden können. Sie zeigen beispielsweise eine reversible martensitische Transformation bei Temperaturen von über 100°C. Bisher ist allerdings noch wenig über das Vielkomponenten-Material und insbesondere dessen Verhalten während der martensitischen Transformation bekannt. Aus diesem Grund sollen die funktionalen und mechanischen Eigenschaften sowie die Werkstoffermüdung der neuen Legierungen im Rahmen dieses Projektes untersucht werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den Zusammenhang zwischen lokalen mikrostrukturellen Eigenschaften und makroskopischem Verhalten gelegt.

Jahr: 2017

Förderung: DFG

Laufzeit: 10/2017 – 09/2020
Forschungsvorhaben VP 1249 (AiF-IGF 19602N): Intelligente Werkstoffe II

Zyklisch auftretenden Beanspruchungen an Schmiedewerkzeugen führen zu einer stetigen Schädigung der Werkzeugoberfläche und letztendlich zu einem verschleißbedingtem Ausfall der Werkzeuge. Im Rahmen dieses Forschungsvorhaben soll durch die Verwendung eines intelligenten Stahles in Kombination einer werkstoffspezifischen angepassten Nitrierbehandlung die Verschleißbeständigkeit erhöht werden. Mit einem zusätzlichen Masseanteil von 2% Mangan und 1,5% Nickel wird am Warmarbeitsstahl 1.2365 die Austenitstarttemperatur (Ac1b- Temperatur) gezielt gesenkt, sodass es während des Schmiedeprozesses infolge der thermomechanischen Bedingungen zu einer wiederkehrenden zyklischen Randschichthärtung kommt (siehe Bild 1). An den thermomechanisch geringer belasteten Bereichen, an denen aufgrund unzureichender Belastung keine Neuhärtung eintritt, tritt die Nitrierschicht zum Verschleißschutz des Schmiedewerkzeugs bei.

Jahr: 2017

Förderung: AiF-FOSTA

Laufzeit: 10/2017 – 09/2019
IRTG 1627 – Teilprojekt C5: Virtuelle Gestaltung und Herstellung von belastungsangepassten Rohren

Steel tubes featuring lengthwise tailored properties are promising for applications where a subsequent deformation requires locally adapted mechanical properties. Within this project suited models to predict both microstructure and mechanical properties due to a new manufacturing process consisting of tube forming, inductive heating and adapted quenching shall be developed. Locally adapted microstructures shall be realized by an intercritical annealing. The models shall be validated at the example of steel tubes manufactured in the workshop.

Jahr: 2017

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/10/2016 – 30/09/2019
SPP 1959 Teilprojekt: Untersuchung der Mikromechanismen des elektroplastischen Effekts in Magnesiumlegierungen mittels Elektronenmikroskopie

Der elektroplastische Effekt (EPE) umfasst all jene Änderungen mechanischer Eigenschaften von Werkstoffen, die durch Impulse hoher Stromdichten (> 1kA/mm²) hervorgerufen werden und nicht auf der Temperaturerhöhung auf Grund des elektrischen Wiederstands beruhen (Abb. 1 zeigt die durch einen Stromimpuls hervorgerufene Entfestigung in Mg). Im Fokus dieses Projektes stehen die Magnesiumlegierungen AZ31 (96% Mg, 3% Al, 1% Zn), WE43 (92,6% Mg, 4% Y, 3% Seltene Erden, 0,4% Zr) sowie poly- und einkristallines Magnesium als Referenz. Diese Legierungen vereinen eine geringe Dichte (etwa ein Viertel von Stahl) mit hoher Festigkeit, was sie für Anwendungen im Leichtbau interessant macht. Darüber hinaus finden sie aufgrund ihrer Biokompatibilität Einsatz in der Biomedizintechnik. Nachteilig ist die schlechte Umformbarkeit dieser Werkstoffe. Umformung unter Ausnutzung des EPE ist für diese Materialien vielversprechend. Um die zur Untersuchung dieses Effektes notwendigen, hohen Stromdichten zu erreichen, wird am Institut eine eigens konstruierte Hochstromimpulsanlage betrieben (siehe Abb. 2: a) Hochstromimpulsanlage, b) Universalprüfmaschine, c) Probe zwischen Kontaktplatten). Ziel dieses Projektes ist es, den Einfluss elektrischer Impulse auf das Verhalten während der Umformung zu untersuchen. Weiterhin sollen grundlegende Erkenntnisse über die zugrundeliegenden Mechanismen des EPE, die noch nicht vollständig verstanden sind, gewonnen werden.

Jahr: 2017

Förderung: DFG

Laufzeit: 31.12.2019
Herstellung und Applikation thermoplastumhüllter Lotpartikel für die löttechnische Fertigung mit pulverförmigen Hartloten

Im Rahmen dieses Projektes werden Lotpulver untersucht, die mit einer thermoplastischen Umhüllung überzogen sind. Die Partikelumhüllung soll hierbei zwei Aufgaben erfüllen: Zum einen werden die metallischen Lotpartikel mit dem elektrisch nicht leitendem Kunststoff isoliert, sodass es möglich wird, die Partikel elektrostatisch aufzuladen und damit für den Einsatz elektrostatischer Pulverbeschichtungsprozesse als neuartiges, lösungsmittelfreies Lotapplikationsverfahren nutzbar zu machen. Zum anderen soll die Verwendung eines Thermoplasten als Kunststoffumhüllung dazu dienen, (ggf. elektrostatisch abgeschiedenes) Lotpulver durch eine Wärmebehandlung ähnlich dem Einbrennen von Kunststoffpulverbeschichtungen haftfest mit der zu belotenden Oberfläche zu verbinden, um lager- und chargierfähige Vorbelotungen mit Lotpulvern zu erzeugen. Aus wissenschaftlich-technischer Sicht sind hierzu lötprozessgeeignete Thermoplaste zu identifizieren und ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Umhüllung der Lotpulver zu entwickeln. Benchmark für die Herstellung und Anwendung der thermoplastumhüllten Pulver ist das für derartige Lötaufgaben bislang eingesetzte Beschichten mit lösungsmittelbasierten, binderhaltigen Lotpulversuspensionen. Es wird erwartet, dass mit thermoplastumhüllten Lotpulvern und deren trockener Applikation substanzielle technische, ökonomische sowie ökologische Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik erzielt werden können. Nutzer dieser Technologie sind sowohl Hersteller von Lötprodukten aus Lotpulvern, die hiermit ihr Portfolio erweitern, als auch Anwender von Löttechnologie, denen neue wirtschaftliche Lotapplikationsverfahren mit dem Produkt ermöglicht werden.

Jahr: 2017

Förderung: AiF

Laufzeit: 01.02.2017-31.01.2019
SFB871: Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur durch füge- und beschichtungstechnische Hybridprozesse (Teilprojekt B1)

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Kombination des Reparaturlötens mit der Heißgaskorrosionsschutzbeschichtung in einem gemeinsam integrierten Prozess, um die dem Stand der Technik entsprechende Prozesskette zur Turbinenschaufelreparatur zu verkürzen. Sowohl die Lotapplikation als auch die Heißgaskorrosionsschutzbeschichtung erfolgt durch thermisches Spritzen. Der Werkstoffaufbau soll dadurch weitestgehend endkonturnah realisiert werden. Die thermischen Spritzprozesse sollen so geführt werden, dass der Lötprozess im CVD-Diffusionsglühprozess (Chemical Vapor Depostition) als TLP-Bonding-Prozess (Transient Liquid Phase) integriert und somit als eigenständiger Prozess entfallen kann. Somit ist die Arbeitshypothese des Forschungsvorhabens, einen thermischen Beschichtungs- und einen Fügeprozess in einen gemeinsamen integrierten Hybridprozess überführen zu können und dabei sowohl qualitative als auch wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Die Bedeutung dieser Verfahrenskombination liegt in der Reduzierung an Schleifaufwand sowie in der Einsparung des bisher eigenständigen Vakuumlötprozesses und somit in verringerten Fertigungskosten.

Jahr: 2017
Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Weiterverarbeitung von gewalztem Halbzeug durch Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten

Das Ziel dieses Forschungsprojekts liegt in der Erarbeitung eines prozessstufenübergreifenden Prognosemodells zur Beschreibung relevanter Ursachen-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten von Stahl- und Aluminiumhalbzeugen. Die Weiterverarbeitung von gewalzten Bändern in Umform- oder Trennprozessen erfordert einen planen Einlaufzustand mit kontrolliert eingestellten und möglichst homogenen Eigenschaften. Diese geforderten Eigenschaften sind meist, bedingt durch Imperfektionen, die während der Halbzeugherstellung und dem Transport als Coil entstehen, nicht gegeben. Der Prozess des Richtwalzens ermöglicht es, mit einer wechselnden Biegebeanspruchung, das einlaufende Material plan zu richten und die Blecheigenschaften kontrolliert zu beeinflussen. Da sich prozessbedingte Inhomogenitäten des Einlaufmaterials auf die Werkstoffeigenschaften nach dem Richtprozess auswirken, ist eine gezielte Korrektur des Richtprozesses über die abgewickelte Halbzeuglänge notwendig. Durch die Ermittlung aller relevanten Ursachen-Wirkungs-Beziehungen sollen Richtlinien innerhalb eines Prognosemodells für das Planrichten abgeleitet werden, die eine Maximierung der Prozessgrenzen in der jeweiligen nachstehenden Fertigungsstufe erlauben.

Jahr: 2017

Förderung: AiF

Laufzeit: 04/2017 – 03/2019
Forschungsvorhaben P1125 Steigerung technologischer Eigenschaften durch Kryobehandlung von Werkzeugstählen (Nanocarbide)

Durch eine gezielte Kryobehandlung von Stählen für die Werkzeug- und Schneidwarenindustrie soll die Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit erhöht werden. Dabei wird eine durchgreifende Veränderung der Gefügestruktur durch eine gezielte Ausbildung von Nanocarbiden im gesamten Querschnitt des Werkzeugs bzw. Bauteils angestrebt (siehe Bild 1). Durch die Integration der Kryobehandlung in die Wärmebehandlungskette kann auf aufwändige Beschichtungs- bzw. Randschichtverfahren verzichtet werden. Besonders submikroskopische Vorgänge sollen zum grundlegenden Verständnis der Wirksamkeit der Kryobehandlung fokussiert untersucht werden. Hierzu zählen mikrostrukturelle Untersuchungen mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie mechanische Prüfungen.

Jahr: 2017

Förderung: AiF

Laufzeit: 01/2017 – 12/2019
Untersuchung des kombinierten Einflusses des Dressierens und Rollenrichtens von Dünnblechen aus Materialien mit unterschiedlichem Kristallgitter

Die resultierenden Eigenschaften von Blechen werden maßgeblich durch die abschließenden Prozesse des Dressierens und Richtens bestimmt. Das Ziel des Dressierens besteht in der Beseitigung von Lüders-Bändern beispielsweise für einen nachfolgenden Tiefziehprozess durch Überschreiten der Streckgrenze sowie in der Einstellung einer definierten Oberflächentopologie. Zur Erzeugung ebener Blechoberflächen erfolgt ein Richten mit Rollenrichtmaschinen. Die vertikalen Achsen der oberen und unteren Rollen sind dabei gegeneinander versetzt, was eine zyklisch alternierende Biegung des Bleches verursacht. Die Kombination dieser Umformverfahren beeinflusst maßgeblich die finalen Blecheigenschaften (Mikrostruktur, Textur, mechanische Eigenschaften, Eigenspannungen, Ermüdungsfestigkeit), die im Rahmen dieses Projektes charakterisiert und für die Weiterverarbeitung von Blechen mit unterschiedlichen Gitterstrukturen (krz - Stahl, kfz - Kupfer, hdp - Titan) optimiert werden sollen.

Jahr: 2017

Förderung: DFG

Laufzeit: 01.10.2016-30.09.2019
Lichtbogenschweißen von Titanlegierungen

Der Schwerpunkt des TP B6 liegt in der Methodenentwicklung zur Reparatur von Verdichterblisks aus Titanlegierungen durch Lichtbogenprozesse. Eine qualitätsgerechte Regeneration wird durch die Ausnutzung kombinierter Fluss- und Impfmitteleffekte sowie durch additiven Strukturaufbau ermöglicht. Als Erweiterung der funktionalen Eigenschaften regenerierter und/oder erosionsbeanspruchter Schaufelbereiche wird eine lokale Oberflächennitrierung mittels Plasmalichtbogen betrachtet. Dabei umfasst das Arbeitsprogramm neben der schweißtechnischen Umsetzung Gefüge- und Strukturanalysen, Härte- und Eigenspannungsmessungen sowie Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten und den Auswirkungen auf die Lebensdauer regenerierter Blisks.

Jahr: 2018

Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.12.2021
Präzisionsschmieden gegossener Vorformen

Die Technologie des Schmiedens von gegossenen Vorformen (Gieß-Schmieden) stellt eine Alternative zur konventionellen Herstellung von Stahlbauteilen mit komplexen Geometrien dar. Hauptziel der geplanten Untersuchungen ist die Gewinnung von Erkenntnissen über die Entwicklung der mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften des Gefüges der Gussvorform während der Umformung und die Identifizierung von geeigneten Prozessparametern.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/2018 – 12/2020
Forschungsvorhaben P 1197 (AiF-Nr. 18157N): Eigenspannungen gelöteter Stahlmischverbindungen

Eine Vielzahl von Komponenten -beispielsweise für Kraftfahrzeuge, Anlagen der Energie- und Heizungstechnik oder im allgemeinen Anlagenbau- wird mit löttechnischen Fertigungsverfahren produziert. Viele dieser Bauteile werden aus hochlegierten Stahlwerkstoffen gefertigt, die in Vakuum- oder Schutzgasöfen bei Temperaturen oberhalb von 900°C gelötet werden. Für eine Reihe von Anwendungen ist es wünschenswert, ferritische und austenitische Stahlwerkstoffe miteinander zu fügen. Aufgrund der unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der Fügepartner und der verwendeten Lote können hierbei erhebliche Eigenspannungen auftreten, die zu einer signifikanten Schwächung dieser Lötverbindungen im Vergleich zu Lötverbindungen aus artgleichen Stahlwerkstoffen führen. Im Rahmen dieses Projektes werden die Eigenspannungen in Abhängigkeit von den gewählten Werkstoffkombinationen, den Fügegeometrien und den Prozessbedingungen beim Ofenlöten detailliert analysiert und bewertet. Aus den Ergebnissen werden Fertigungsstrategien zur Minimierung von Eigenspannungen in gelöteten Mischverbindungen abgeleitet und validiert. Ziel des Projektes ist es, löttechnisch geeignete Konstruktionen und werkstoffangepasste Lötprozesse für die Fertigung von gelöteten Stahlmischverbunden mit minimalen Eigenspannungen zu entwickeln. Die Hersteller sollen damit in die Lage versetzt werden, zukünftig Hybridbauteile aus unterschiedlichen rostfreien Stahlqualitäten auch über eine löttechnische Fertigungsroute prozesssicher herstellen zu können. Insbesondere die ferritischen rostfreien Stähle, die in gelöteten Bauteilen bislang kaum zum Einsatz kommen, werden hierdurch als Konstruktionswerkstoffe weiter an Bedeutung gewinnen

Jahr: 2018

Förderung: AiF-FOSTA

Laufzeit: 01.11.2016-31.10.2018
Forschungsvorhaben 07.088 (AiF-Nr. 19.839 N): Cu-Al-Verbundlote

Mit den Aluminiumbronzen sind Kupferlegierungen bekannt, die eine hervorragende Warmfestigkeit sowie eine hohe Korrosions- und Verzunderungsbeständigkeit aufweisen. Allerdings lassen sich diese Legierungen als Lote z.B. für CrNi-Stähle aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität des Aluminiums sehr schlecht bei Ofenlötprozessen verarbeiten. Der Lösungsansatz besteht in der Verwendung von Lotverbunden bestehend aus einem Aluminiumkern und einer Kupferdeckschicht, wobei über das Verhältnis der verwendeten Materialstärken die Zielzusammensetzung vorgegeben ist. Die gewünschte Lotlegierung bildet sich erst "in situ" während des Aufschmelzvorgangs. Die Verbundlotgeometrie sowie die Temperaturführung beim Ofenlöten bestimmen dann in weiten Grenzen die Lötgutmetallurgie und damit die technologischen Eigenschaften der resultierenden Lötverbindung. Diese Abhängigkeiten zu untersuchen und hieraus anwendungsgeeignete Aluminiumbronze-Verbundlote und Ofenlötprozesse zu entwickeln, ist Ziel dieses Projektes. Cu-Al-Lotverbunde lassen sich sowohl als Drähte als auch als Folien herstellen, sodass sie für eine Vielzahl von Lötanwendungen geeignet sind. Profitieren können hiervon sowohl Lothersteller als auch Unternehmen, die Lötbaugruppen aus CrNi-Stählen fertigen, welche im Automobilbau, in der Heiz- und Klimatechnik oder im Apparatebau in unterschiedlichsten Formen und Ausführungen benötigt werden.

Jahr: 2018

Förderung: AiF-DVS

Laufzeit: 01.01.2018-31.12.2019
SFB871: Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur durch füge- und beschichtungstechnische Hybridprozesse (Teilprojekt B1)

Komponenten in Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen, wie Turbinen- und Verdichterschaufeln (Lauf- und Leitschaufeln) sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Um die Lebensdauer solcher Komponenten zu erhöhen, spielen Wartung, Reparatur und Überholen (MRO) eine immer größer werdende Rolle. Das Teilprojekt B1 des SFB871 entwickelt und erforscht eine endkonturnahe füge- und beschichtungstechnische Hybridtechnologie, mit der es möglich ist, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Prozesskette zur Turbinenschaufelreparatur wesentlich zu verkürzen. Die in diesem Teilprojekt entwickelte Hybridtechnologie bezieht sich auf Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine, sodass der Fokus von der werkstoffwissenschaftlichen Seite auf Nickelbasislegierungen liegt. Die Verkürzung der Prozesskette wird bewerkstelligt, indem das zur Reparatur benötigte Nickelbasislot zusammen mit der Heißgaskorrosionsschutzschicht (z.B. NiCoCrAlY-Legierungen) und der Wärmedämmschicht (WDS) mit Aluminium als Haftvermittler durch thermisches Spritzen (TS) auf das zu reparierende Substrat (Bauteil) appliziert wird. Es ergibt sich folgende Materialkombination: Substrat/Nickelbasislot/NiCoCrAlY/Al/WDS. Anschließend wird dieses Werkstoffsystem einer gemeinsamen Wärmebehandlung unterzogen und so ein kombinierter Löt-/Alitierprozess ermöglicht. Somit ist die Arbeitshypothese dieses Forschungsvorhabens, einen thermischen Beschichtungs- und Fügeprozess in einen gemeinsamen integrierten Hybridprozess überführen zu können und dabei sowohl qualitative als auch wirtschaftliche Vorteile zu erzielen

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/2018 – 12/2021
Forschungsvorhaben 07.084 (AiF-Nr. 19.056 BG): Untersuchungen zum Einfluss von Stickstoff in der Lötatmosphäre auf die Lebensdauerfestigkeit Ni-Basis-gelöteter CrNi-Stahl-Verbindungen unter korrosiver Belastung

Der weitverbreitete Einsatz von Stickstoff als Prozess- oder Kühlgas beim Löten von CrNi-Stählen mit Nickelbasisloten führt mitunter zu massiven Problemen in Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit der hergestellten Lötverbindungen, die offenbar mit einer Aufstickung der Werkstoffe im Bereich der Fügezone zusammenhängt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher aufklärt werden, in welchem Maße und unter welchen Lötprozessbedingungen eine Stickstoffanreicherung im Lötnahtbereich stattfindet und wie dies das Korrosionsverhalten und auch die Lebensdauer der Lötungen beeinflusst. Im Einzelnen wird hierbei untersucht, welcher Zusammenhang zwischen dem Grad der Stickstoffanreicherung und den gewählten Prozessbedingungen beim Löten bestehen, wie sich die unterschiedlichen Aufstickungsgrade auf das elektrochemische Korrosionsverhalten der Lötverbindungen auswirken und welche Folgen der Grad der Aufstickung und die hieraus resultierenden Korrosionsschäden auf die Zeitfestigkeit der Lötverbindungen haben. Aus den Ergebnissen werden für die besagten Ofenlötverfahren Prozessbedingungen abgeleitet, bei denen die aufstickungsbedingte Folgen an den gelöteten Bauteilen vermieden werden können, ohne auf den im Vergleich zu alternativen Prozessgasen (Argon, Wasserstoff) sehr kostengünstigen und sicherheitstechnisch einfach zu handhabenden Stickstoff verzichten zu müssen.

Jahr: 2018

Förderung: AiF-DVS

Laufzeit: 01.04.2016-30.09.2018
Forschungsvorhaben MA 1175/48-1: In-Situ Untersuchungen der physikalisch-chemischen Mechanismen der Oberflächenaktivierung von Edelstählen bei Wärmebehandlungen unter lötprozessähnlichen Bedingungen im reduzierendem Schutzgas

Die Desoxidation von Bauteiloberflächen in einem Ofenlötprozess unter reduzierendem Schutzgas ist Voraussetzung für deren Benetzbarkeit mit Lot und entscheidet über den Prozesserfolg und die Qualität der resultierenden Lötverbindungen. Während die notwendigen thermodynamischen Voraussetzungen beispielsweise für die Reduktion von nativ oxidierten Edelstahloberflächen mit reduzierenden Agentien im Prozessgas (Wasserstoff, Monosilan etc.) bekannt sind, ist die Kinetik dieser Reaktionen auf atomarer Ebene bislang noch nicht erforscht worden. Letzteres ist aber essentiell für ein grundsätzliches Prozessverständnis und Voraussetzung für die Weiterentwicklung von flussmittelfreien Lötprozessen unter Schutzgas. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von mit Monosilan dotiertem Stickstoff als kostengünstige und ressourcenschonende Alternative zu konventionell verwendetem Wasserstoff für das Löten von Stahlwerkstoffen von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse. Globales Ziel des Projekts ist es daher, die physikalisch-chemischen Mechanismen der Oberflächendesoxidation beim Löten von Edelstählen in einem Schutzgasdurchlaufofen bei Verwendung wasserstoff- und silanhaltiger Prozessgase zu untersuchen. Die Experimente liefern hierbei Informationen über die ablaufenden Reaktionen und die Oberflächenzustände, die Grundlage für eine gezielte Weiterentwicklung flussmittelfreier Schutzgaslötprozesse in Richtung niedrigerer Verarbeitungstemperaturen, robusterer Prozessbedingungen und der Verarbeitung anspruchsvoller Stahlwerkstoffe sind. Im Rahmen des Projekts werden zunächst thermodynamische Simulationen durchgeführt und bekannte analytische Transportmodelle auf den vorliegenden Anwendungsfall spezifiziert. Zur Verifizierung der Simulationen bzw. des Modells werden die ablaufenden chemischen und physikalischen Reaktionen unter lötprozessähnlichen Bedingungen in-situ auch zeitaufgelöst untersucht, wobei Informationen zu Änderungen der Kristallstruktur, der atomaren Koordination (Bindungsabstände, Koordinationszahlen) und der chemischen Bindungszustände sowie über auftretende Diffusionsprozesse, die für die Aufklärung der Kinetik elementar sind, gewonnen werden. Hierzu werden die Methoden TR-XRD (Time Resolved X-ray Diffraction) sowie zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES: Extended X-ray Absorption Fine Structure/ X-ray Absorption Near Edge Structure) unter Verwendung von Synchrotronstrahlung eingesetzt. Das Nachstellen von realistischen Prozessbedingungen für die spektroskopischen Messungen erfolgt in einer Hochtemperaturkammer für Röntgenexperimente, die eigens angefertigt wurde. Die Messungen mit Röntgenstrahlung werden an der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA in Dortmund oder am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg durchgeführt.Mithilfe von Messungen und Lötversuchen soll ein Modell aufgestellt werden, das auf atomarer Ebene die chemisch-physikalischen Vorgänge der ablaufenden Oberflächenreaktionen bei Schutzgaslötprozessen beschreibt.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01.04.2014-31.12.2019
Selektiv thermisch oxidierte Werkzeugoberflächen im Einsatz beim trockenen Tiefziehen

In der Blechumformung haben Reibung und Verschleiß maßgeblichen Einfluss auf die Standzeiten der Werkzeuge. Deshalb werden nach dem Stand der Technik gegenwärtig meist Schmierstoffe verwendet. Da der Einsatz dieser Schmierstoffe nicht dem Ziel einer nachhaltigen Produktion entspricht, werden im Rahmen des SPP 1676 Methoden zur Trockenumformung erforscht. Im vorliegenden Projekt werden die Grundlagen zur Herstellung und dem Einsatz von Werkzeugbeschichtungen erforscht, die durch selektive thermische Oxidation hergestellt werden. Die oxidativen Wärmebehandlungen der Werkzeugoberflächen finden dabei bei definiertem Restsauerstoffgehalt unter Schutzgasatmosphäre (Stickstoff) bzw. mit Monosilan dotiertem Stickstoff statt. So ist es möglich Oxidbelegungen mit definierter chemischer Zusammensetzung und Dicke zu generieren. Die Zwischenergebnisse aus dem ersten Antragszeitraum belegen, dass Schichten erzeugt werden können, die vergleichbare Reibwerte aufweisen wie unbeschichtete beölte Werkzeugoberflächen In der zweiten Förderphase des Teilprojektes wurde das Wärmebehandlungskonzept weiterentwickelt und eine neue Behandlungsanlage aufgebaut. Hauptmotivation dabei war es von einem Durchlaufofenprozess, welcher durch lange Behandlungszeiten und einem hohen Schutzgasverbrauch gekennzeichnet ist, auf einen Chargenprozess umzustellen. Durch die chargenweise Herstellung von oxidierten Prüfkörpern kann der Schutzgasbedarf deutlich gesenkt werden. Darüber hinaus wurde an der Erwärmungsanlage die Möglichkeit einer induktiven Prüfkörpertemperierung geschaffen, sodass die Prozesszeit ebenfalls reduziert werden können. Die Arbeiten der zweiten Förderphase umfassen darüber hinaus Reibwert- und Verschleißuntersuchungen bei variablen Oberflächenmodifikationen. Diese Ergebnisse knüpfen gemeinsam mit einem numerischen FE-Modell an den Arbeiten der ersten Phase an und sind erforderlich um ein breites Grundlagenverständnis über den hier erforschten Ansatz zur Trockenumformung zu schaffen, sodass eine Überführung auf industrielle Anwendungen gewährleistet werden kann. Die Übertragung in Richtung der Anwender ist in der dritten Förderphase des Teilprojektes vorgesehen. In der dritten Projektphase wird ein modulares Tiefziehwerkzeug aufgebaut, welches mit oxidierten Formeinsätzen bestückt werden kann. Über die Fertigung unterschiedlicher Bauteilgeometrien mit dem vorgesehenen Werkzeugsystem ist es möglich sukzessive das Lastkollektiv auf das hier entwickelte Schichtsystem zu erhöhen und somit das Einsatzverhalten des Schichtsystems im Tiefziehprozess zu untersuchen. Parallel dazu wird die Wärmebehandlung zur Schichterzeugung stetig weiter optimiert. Ferner findet eine Übertragung des numerischen FE-Modells, welches an Versuchsprüfkörpern erarbeitet wurde, auf die hier untersuchten Geometrien statt. Abschließend wird die wieder Aufbereitung des Schichtsystems untersucht, sodass tiefergehende Aussagen über Werkzeugstandzeiten getroffen werden können.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01.01.2014 – 01.01.2020
Forschungsvorhaben MO881/22-1: Aufklärung und Nutzung thermophysikalisch-chemischer Mechanismen der Oberflächendesoxidation zum Löten von Edelstählen unter silandotiertem Argon-Grobvakuum

Forschungsziel ist die Untersuchung und Aufklärung von Mechanismen der Desoxidation nativ passivierter Stähle beim Hart- und Hochtemperaturlöten im Vakuumofen mit der Maßgabe, diese Erkenntnisse zukünftig für die Optimierung und Weiterentwicklung der Lötprozesse zu nutzen. Hierzu werden Messverfahren entwickelt und eingesetzt, bei denen eine oberflächensensitive „in situ“-Analyse von in der chemischen Zusammensetzung und der Oberflächenbeschaffenheit definierten Edelstahlproben, die unter für Vakuumlötprozess typischen Bedingungen wärmebehandelt werden können, möglich ist. Neben der Variation der Aufheizbedingungen muss das Verfahren auch eine Variation der Gasatmosphäre sowohl hinsichtlich des Gasdrucks als auch der Gaszusammensetzung bis 1 mbar Gesamtdruck zulassen. Insbesondere ist die Verwendung von mit Monosilan dotiertem Argon zur Einstellung definierter, reduzierender Prozessgasbedingungen ein wesentlicher Aspekt der Untersuchungen, da hiervon erhebliche Verbesserungen für das Löten von Edelstählen erwartet werden. Zum anderen sollen die „in situ“-Untersuchungen der Oberflächen parallel durch Wärmebehandlungs- und Lötprozesse in einem auf die Verwendung von silandotierten Prozessgasen umgerüsteter Vakuumlötofen nachvollzogen werden und durch anschließende Analysen von wärmebehandelten Werkstoffproben wie auch Benetzungsproben unter Verwendung geeigneter Modelllote Korrelationen zwischen den Oberflächenveränderungen und dem Benetzungsverhalten in Abhängigkeit der eingestellten Prozessbedingungen herausgearbeitet werden. Auf theoretischer Seite dienen die „in situ“ Messungen zur Aufklärung der Mechanismen der Ober-flächendesoxidation sowie der Quantifizierung diesbezüglicher Abhängigkeiten von den Prozess-bedingungen. Die Daten sollen als Basis zur Erstellung eines physikalischen Modells dienen, das die thermodynamischen und kinetischen Aspekte der Reaktionen und Prozesse an der Oberfläche der untersuchten Werkstoffoberflächen beschreibt und optimale Prozessbedingungen beim Löten von Edelstählen vorhersagbar machen soll.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01.12.2014-30.07.2019
Wirkmechanismen von Nanopartikeln als neuartige Kornfeiner für thermomechanisch hoch beanspruchte Aluminiumgussbauteile

Ziel des Forschungsvorhabens ist die gezielte Untersuchung des Einsatzes von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung als Kornfeiner bei siliziumhaltigen Al-Gusslegierungen, sowie die quantitative und qualitative Bewertung der Auswirkung der kornfeinenden Wirkung auf das Gefüge und die thermomechanischen Eigenschaften.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 05/2017 – 04/2020
Erzeugung von Bereichen mit reduzierter Festigkeit an formgehärteten Bauteilen mittels einer Temperierungsstation

Das Projekt soll die Methodik einer lokalen Temperierung austenitisierter Werkstoffe vor oder zwischen einzelnen Umformschritten zur gezielten Einstellung einer erwünschten Mikrostruktur in eine praxisnahe Anwendung am Beispiel des Formhärtens überführen. Mittels der Technologie einer Zweiphasenspraykühlung sollen in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner, der Volkswagen AG, gradierte Materialeigenschaften in Formhärtebauteilen basierend auf lokal an¬gepassten Mikrostrukturen erzielt werden. Formgehärtete Bauteile, die Bereiche mit lokal reduzierter Festigkeit aufweisen, zeigen eine gesteigerte Fügbarkeit und erleichtern den Beschnitt. Im beantragten Transferprojekt soll die Mikrostrukturanpassung durch eine gezielte Vorkühlung lokal begrenzter Bauteilbereiche vor dem eigentlichen Formhärtevorgang erfolgen. Zur Auslegung einer derartigen Vorkühlung mittels Zweiphasenspray und einer gleichzeitigen Temperierung nicht zu kühlender Bauteilbereiche auf Temperaturen oberhalb Ac3 soll eine geeignete Temperierungs¬einheit entwickelt werden. Dazu kann auf numerische Simulationsmodelle und Erfahrungen aus dem laufenden Projekt zurückgegriffen werden. In den vorgekühlten Bereichen soll zunächst eine Temperatur im Bereich der Bainitstufe oder ggf. Perlitstufe eingestellt werden, um vorzugsweise eine bainitische Gefügeumwandlung während der anschließenden gleichförmigen Abkühlung im Formhärtewerkzeug zu erzeugen. Bereiche, die aus einem Temperaturniveau oberhalb von Ac3 abgeschreckt werden, erfahren durch die Abkühlung im Formhärtewerkzeug hingegen eine martensitische Umwandlung. Als Beispiel ist in der Abb. 1 der mögliche Härteunterschied infolge der verschiedenen Temperaturführungen gezeigt. Vorteilhaft bei dieser Vorgehensweise ist, dass keine lokal temperierten Formhärtewerkzeuge erforderlich sind und sich kurze Haltezeiten beim Formhärten realisieren lassen. Letztendlich soll die praxis¬taugliche Einsatzfähigkeit der Temperierungsstation für die lokale Ausbildung von unterschiedlichen Gefügen durch lokale Abkühlung bei gleichzeitiger lokaler Aufrechterhaltung des austenitisierten Zustands der Platinen, nachgewiesen werden. Seitens der Leibniz Universität Hannover erfolgen die Auslegung der Temperierungsstation und das Formhärten am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen und die Entwicklung der Vorkühlvorrichtung und die Mikrostrukturcharakterisierung am Institut für Werkstoffkunde.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/07/2017 – 30/06/2019
Innovative Mischbauweisen mit dünnwandigen Aluminiumdruckguss-Strukturen mittels Bolzensetzen und fließlochformenden Schrauben

Aluminiumgussbauteile finden aufgrund ihres spezifischen Gewichts, ihrer hohen Steifigkeit und der individuellen Formgestaltung eine immer stärkere Anwendung. Eine Voraussetzung für den Einsatz dieser Gussbauteile in Mischbaustrukturen mit Aluminium- oder Stahlblechen ist die Anwendung einer geeigneten Verbindungstechnik. Aufgrund der Individualität in der Formgebung liegt bei diesen Bauteilen häufig eine nur einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle vor. Fügeverfahren welches das einseitige Fügen von Aluminiumgussbauteilen ermöglichen sind z.B. das fließlochformende Schrauben und das Bolzensetzen. Bei Verfahren mit einseitig zugänglicher Fügestelle ist die lokale Fügestellensteifigkeit von entscheidender Bedeutung. Diese kann bei Gussbauteilen lokal sehr unterschiedlich sein. So ergeben Hohlbereiche geringe Steifigkeiten, hingegen Fügestellen zwischen Verrippungen erhöhte Steifigkeiten. Verminderte Fügestellensteifigkeiten erschweren die Verbindungsherstellung und führen zu Bauteildeformationen, zu Spalten zwischen den Fügepartnern sowie beim hybriden Fügen zu einer schlechteren Klebstoffanbindung. Grund dafür sind die im Fügeprozess statisch oder schlagartig eingebrachten Fügekräfte. Um die beschriebene Problemstellung zu lösen, wird ein ganzheitlicher Lösungsansatz zur Auslegung und fügegerechten Gestaltung von Gussbauteilen verfolgt, welcher es in einer frühen Phase der Konstruktion und Fertigungsplanung ermöglicht, Bauteile den Fügeverfahren mit einseitiger Zugänglichkeit entsprechend fügegerecht zu gestalten und Fertigungsabläufe besser zu planen. Die Projektergebnisse können in der Konstruktion von Gussbauteilen genutzt werden, um diese für die einseitigen Fügeverfahren optimiert zu entwickeln. Das zu entwickelnde Musterbauteil kann bei KMU und OEMs in frühen Phasen der Produktentwicklung, genutzt werden, um eine Bemusterung in Abhängigkeit der Bauteilsteifigkeit durchzuführen und den Einfluss von fertigungsbedingten Störgrößen zu untersuchen. Projektpartner: Universität Paderborn, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF)

Jahr: 2018

Förderung: AiF

Laufzeit: 01.01.2017 - 30.06.2019
Aluminiumlegierungen mit angepasstem Schmelzintervall für das prozessintegrierte Ausschäumen beim Strangpressen

Ziel dieses Projekts ist es, die Grundlagen zum direkten Ausschäumen von Hohlstrukturen aus Al-Legierungen mittels Verbundstrangpressen zu erarbeiten. Der außenliegende strukturgebende Konstruktionswerkstoff übernimmt hierbei die Krafteinleitung, den Korrosionsschutz sowie Zugkräfte, während der innenliegende Schaumwerkstoff die Biegesteifigkeit, Dämpfungseigenschaften und Energieabsorption erhöht. Solche stranggepressten, ausgeschäumten Strukturen können z. B. vorteilhaft im Automobilbau als Crashprofile eingesetzt werden. Prozessintegriert ausgeschäumte Strukturen bzw. Schaumstrukturen mit dichter Decklage werden, ungeachtet ihres besonderen Eigenschaftsspektrums, bisher noch nicht industriell in Großserie eingesetzt. Dies ist zum einen der begrenzten Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung ausgeschäumter Bauteile mit dichten Decklagen geschuldet, andererseits werden bei der Herstellung bisher aufwändige Zusatzoperationen wie zusätzliche Schäum-, Manipulations- und Verbindungsprozesse benötigt.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 05/2017-05/2020
Dynamische Magnet-Datenspeicherung auf thermisch gespritzten Schichten

Ziel des Projekts ist die Herstellung und Charakterisierung thermischer Spritzschichten mit magnetischen Eigenschaften mit Hinblick auf eine dynamische Datenspeicherung. Es soll untersucht werden, ob der Anwendungsbereich etablierter Schichtsysteme (z. B. WCCo(Cr)) als Hartschicht oder als Korrosionsschutz durch eine zusätzliche Funktionalisierung in Form von magnetischer Datenspeicherung erweitert werden kann. Zusätzlich soll der alternative in der Spritztechnik bisher nicht verwendete ferrimagnetische Werkstoff Maghemit (ɣ-Fe2O3) auf seine Tauglichkeit als Spritzwerkstoff untersucht werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend erfolgt im Weiteren die Ergründung und Quantifizierung der magnetischen Eigenschaften der hergestellten Spritzschichten.

Jahr: 2018

Förderung: DFG

Laufzeit: 01/2017-12/2019
Induktionswärmetechnik als praxisrelevantes Vor- und Nachbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Unterwasserschweißen von Feinkornstählen mit erhöhtem Kohlenstoffäquivalent

Ziel des Forschungsprojektes ist die Erarbeitung einer effektiven Alternative zur aufwändigen Temper-Bead-Technik, um höherfeste Stähle und Feinkornbaustähle mit einem Kohlenstoffäquivalent von CEV > 0,4 hyperbar nass schweißbar zu machen. Dabei sollen der Wasserstoffgehalt und das Gefüge kontrollierbar werden.

Jahr: 2019

Förderung: AiF

Laufzeit: 01.07.2018 - 30.06.2020