RADIKAL - Ressourcenschonende Werkstoffsubstitution durch additive & intelligente FeAl-Werkstoff-Konzepte für angepassten Leicht- und Funktionsbau

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung der werkstofftechnischen Grundlage zum Ersatz technischer Superlegierungen und Edelstähle (z. B. auf Basis von Nickel, die zudem hohe Anteile strategischer Metalle wie Co, Nb oder Ta bzw. W enthalten) durch preiswerte intermetallische Fe-Al-Basislegierungen.

Die aktuelle Diskussion um Ressourcenverknappung (z.B. strategisch wichtige Metalle, andere Elemente) zeigt die dringende Notwendigkeit der Substitution dieser Metalle, um wirtschaftliche und politische Abhängigkeiten zu vermeiden. Zwar steigen auch die Preise für Aluminium und Eisen, jedoch auf einem deutlich niedrigerem Niveau (der Preis für eine Tonne Aluminium liegt derzeit bei 1/10 des Preises für eine Tonne Nickel [London Metal Exchange LME, Stand 02/2011]) und die Ressourcen dieser Metalle, sprich Häufigkeit & Verteilung in der Erdkruste sind deutlich größer als die von Nickel. Die Fe-Al-Legierungen weisen eine hervorragende Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit auf und ihre Festigkeiten übertreffen inzwischen die modernster ferritischer Turbinenstähle bzw. erreichen die einiger Co- und Ni-Basislegierungen und sind daher prinzipiell auch für mechanisch, thermisch und korrosiv hochbelastete Bauteile und Aggregate geeignet. Da Fe-Al-Legierungen zudem eine wesentlich geringere Dichte haben und keine oder nur sehr geringe Mengen strategischer Metalle enthalten, stellen sie aus industrieller Sicht eine interessante Werkstoffalternative dar. Hinzu kommt, dass Fe-Al-Basislegierungen aufgrund ihrer Eigenschaften einen großen potenziellen Anwendungsbereich haben, z. B. in vielen Bereichen der Energietechnik, der (petro-)chemischen Industrie, für automobile Anwendungen oder in der Luftfahrt, wo neben Festigkeit auch Langzeitbeständigkeit, in der Hauptsache also Korrosionssicherheit gefordert ist. Somit könnten später vielerorts klassische CrNi-Stähle durch FeAl-Stähle ersetzt werden.                                                                  

Eine werkstofftechnische Herausforderung stellt die begrenzte Duktilität (Gleichmaßdehnung £ ca. 1%) der Fe-Al-Legierungen dar, was zum Teil auf eine ausgeprägte Grobkörnigkeit (Korngrößen im Millimeterbereich), z.B. beim Gießen der Legierungen, zurückzuführen ist. Neue innovative Urformverfahrensketten (sogenannte Schichtfertigungsverfahren, engl. auch „Rapid Manufacturing (RM) oder Additive Layer Manufacturing“ (ALM) genannt) wie „Selective Laser Melting“ (SLM), „Electron Beam Melting“ (EBM) und „Laser Metal Deposition“ (LMD) gestatten die Herstellung endkonturnaher Bauteile mit nahezu unbegrenzter Geometriefreiheit und sehr feinkörnigen Mikrostrukturen durch schichtweisen Materialaufbau in einem Pulverbett (SLM, EBM) oder mit einer Pulverdüse (LMD), realisiert durch lokales Aufschmelzen des Pulvers über Laser- oder Elektronenstrahl, d. h. eine Art Permanentschweißen, jedoch mit einem sehr kleinen Schmelzbad. Die bei diesem Methoden in der Regel erzeugte, sehr feinkörnige und vorteilhafte Mikrogussstruktur resultiert dabei aus den sehr hohen Abkühlraten (104- 106 K/s). Zu erwarten ist, dass sich dadurch auch bei FeAl-Werkstoffen eine deutlich kleinere Korngröße einstellen lässt und damit die Duktilität verbessert wird. Auch lassen sich mittels LMD chemisch gradierte Bauteile herstellen, so dass die Zusammensetzung in den hochbelasteten Bereichen des Bauteils entsprechend maßgeschneidert werden kann. Damit bieten diese Verfahren außergewöhnliche Möglichkeiten zum Prozessieren von Fe-Al-Legierungen. Alle drei Verfahren weisen spezifische Unterschiede auf, die im Hinblick auf die generative Fertigung verschiedener Bauteile Vor- und Nachteile aufweisen. Daher ist der Einsatz aller drei Varianten sinnvoll, um das Potenzial der ALM-Verfahren auszuschöpfen.

Die Entwicklung entsprechender Fe-Al-Legierungen für diese Urformverfahren, das Herstellen von Probenkörpern und Bauteilen mittels SLM, LMD und EBM sowie die Untersuchung der erzielbaren Mikrostrukturen und der daraus resultierenden Werkstoff- und Bauteileigenschaften (mechanisch-technologisch & korrosiv) sollen in dem vorgeschlagenen Vorhaben untersucht und gegen etablierte Werkstoffe gespiegelt werden und so das immense Substitutionspotential belegen.

 

Poster des Projektes (Sept. 2014)


Koordinator: Dipl.-Ing. Frank Palm, EADS Deutschland GmbH,  Bereich: Innovation Works (EADS)

Projektpartner (Karte):

  • Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE)
  • Siemens AG (SIEMENS)
  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
  • Dr. Kochanek Entwicklungsgesellschaft (KEG)
  • NANOVAL GmbH & Co. KG (NANOVAL)

Laufzeit: 01.02.2013 – 31.01. 2016

FKZ: 03X3574