Teilprojekt A03 Pulverformgebungsverfahren

Im Rahmen des Teilprojekts soll durch eine XHV-adäquate Prozessführung eine Qualifizierung der konventionellen Pulververarbeitungsroute für bisher nicht zu verarbeitende Werkstoffe wie Titanaluminide und eine Steigerung der Leistungs- oder Recyclingfähigkeit von sauerstoffaffinen Werkstoffen erreicht werden. Dazu werden die Effekte (u.a. Mahlen unter Ausschluss von Sauerstoff) untersucht, die zur Erweiterung einschlägiger Prozessmodelle dienen. Anschließend wird das Sintern und Schmieden hinsichtlich der Effekte des Mahlens und unlegierter Beigaben (Titan- und Aluminium) als Pulver oder Späne auf resultierende Prozess- und Materialeigenschaften betrachtet, um das gesetzte Ziel zu erreichen.

Ausgangslage

Das Pressen und Sintern in der Pulvermetallurgie (PM) zeichnet sich unter anderen pulvermetallurgischen Prozessen (z. B. Metallpulverspritzgießen) durch eine hohe Produktivität bei präziser Herstellung von Serienbauteilen aus. Dabei ist oft keine oder nur geringe Nacharbeit erforderlich, was die hohe Marktrelevanz mitbegründet. Für Titanaluminide bietet die PM den Vorteil hoher chemischer Homogenität, allerdings lassen sich die gasverdüsten Pulver aufgrund von Partikelform und niedriger Duktilität nicht durch Matrizenpressen verarbeiten. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Teilprojekt das Ziel, durch die Nutzung einer XHV-adäquaten Prozessatmosphäre, das Matrizenpressen und Sintern und damit eine Verarbeitungsroute für Titanaluminidpulver (TiAl) zu ermöglichen, welche über Kleinserien- und Laboranwendungen hinaus einsetzbar ist. Somit können die Vorteile des Pressens und Sinterns gegenüber den für Titanaluminide etablierten Verarbeitungsrouten heiß-isostatischen Pressen (HIP), Isothermschmieden oder feldaktives Sintern (englisch: Field-Assisted-Sintering - FAST) genutzt werden, um Anlagenkosten, Energieeinsatz und Verarbeitungszeit zu reduzieren.

In der ersten Förderperiode wurde die Verarbeitung von Titanaluminidpulver verschiedener Legierungen in pulvermetallurgischen Prozessen unter XHV-adäquater Atmosphäre untersucht. Eine zentrale Herausforderung war dabei, dass das Matrizenpressen der oxidierten Ausgangspulver unabhängig von der Atmosphäre nicht möglich war. Daher wurden Untersuchungen zur Beimischung unlegierter Pulver (Titan und Aluminium) zur Steigerung der Grünfestigkeit durchgeführt. Bei ausreichend hohem Verhältnis der unlegierten Pulvermischung zu vorlegiertem Titanaluminidpulver konnte auf diesem Weg eine ausreichend hohe Grünfestigkeit realisiert werden. Zur Herstellung von Grünlingen nur aus vorlegiertem Pulver bedarf es einer Modifikation der Pulver, um oxidfreie Oberflächenanteile zu erzeugen. Diese neuartige Modifikation gelang, alternativ zur Plasmadesoxidation der Pulver, durch das Mahlen der Pulver unter XHV-adäquater Atmosphäre. In der Folge konnte der Zusammenhalt der gepressten Grünlinge deutlich gesteigert werden, sodass eine erhebliche Zunahme der Vibrationsbeständigkeit der Grünlinge erreicht wurde und ein anschließendes Sintern durchführbar wurde. Durch eine gezielte Oxidation der freigewordenen Partikeloberflächen der gemahlenen Pulver an Umgebungsatmosphäre konnte die Steigerung des Partikelverbundes klar von Effekten durch Änderung der Partikelgröße und -form getrennt werden.

Ziele

Diese beiden Ansätze, die Zugabe unlegierter Pulver und die Erzeugung oxidfreier Oberflächenanteile durch Mahlen, sollen in der zweiten Förderperiode gemeinsam weiter untersucht werden. Die neuartigen Zusammenhänge zwischen Partikeldeformation, Aufbruch der Oxidschichten und den resultierenden Verarbeitungseigenschaften der Pulver beim Matrizenpressen und Sintern unter XHV-adäquater Atmosphäre sind aktuell nicht verstanden und sollen eingehend charakterisiert und analytisch modelliert werden. Das gemeinsame Mahlen von Titanaluminidpulver mit unlegierten Pulvermischungen unter XHV-adäquater Atmosphäre liefert darüber hinaus einen Ansatz diese Eigenschaften weiter anzupassen. Durch Zugabe der unlegierten Pulver werden gezielt duktile Phasen (z. B. β-Titan) im Grünling oder im gesinterten Bauteil eingestellt, um die Prozesskette auf das Sinterschmieden zu erweitern. Schließlich werden die beschriebenen Effekte unter XHV-adäquater Atmosphäre genutzt, um kombiniert die Verarbeitung von Titanaluminidpulver durch Pressen, Sintern und Sinterschmieden zu ermöglichen.

Zu diesem Zweck wird in der zweiten Förderperiode zunächst das Prozessverhalten von Titan-, Aluminium- und Titanaluminidpulver beim Mahlen unter XHV-adäquater Atmosphäre charakterisiert. Neben Partikelgrößenmessungen, XPS-Messungen, REM-Untersuchungen und Mikrohärtemessungen tragen Spaltzugversuche an Grünlingen aus den gemahlenen Pulvern zum Verständnis der Partikeldeformation und dem Aufbrechen der Oxidschichten bei. Dieses Verständnis dient der Erweiterung einschlägiger Modellen aus der Literatur auf diesen neuen Anwendungsfall und bildet so die Grundlage für die zentralen Arbeitspakete zum Sintern und Sinterschmieden von vorlegiertem Pulver und unlegierten Mischungen.


Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

  • Döring, S., Peddinghaus, J., Brunotte, K., Behrens, B.-A. (2024): Effect of different oxide layer shares on the upsetting of titanium aluminide specimensMaterials Research Proceedings 41, pp. 958–967
    DOI: 10.21741/9781644903131-105
  • Behrens, B.-A., Brunotte, K., Peddinghaus, J., Ursinus, J., Döring, S., Maus-Friedrichs, W., Gustus, R., Szafarska, M. (2023): Pressing and Sintering of Titanium Aluminide Powder after Ball Milling in Silane-Doped AtmosphereJournal of Manufacturing and Materials Processing 7, p. 171
    DOI: 10.3390/jmmp7050171
  • Behrens, B.-A., Brunotte, K., Peddinghaus, J., Heymann, A. (2022): Influence of Dwell Time and Pressure on SPS Process with Titanium AluminidesMetals 12, p. 83
    DOI: 10.3390/met12010083

Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Heymann, A., Peddinghaus, J., Brunotte, K., Behrens, B.-A. (2022): Investigations on the consolidation of TNM powder by admixing different elemental powdersProceedings 31st International Conference on Metallurgy and Materials, pp. 639–644
    DOI: 10.37904/metal.2022.4428
    ISBN: 978-80-88365-06-8
  • Behrens, B.-A., Heymann, A. (2021): Investigation on temperature control in the SPS process with titanium aluminidesProceedings 30th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials, pp. 1089–1094.
    DOI: 10.37904/metal.2021.4221

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Ursinus, J., Peddinghaus, J., Brunotte, K., Dierich, B., Behrens, B.-A. (2023): Pressen und Sintern von Titanaluminid-Pulver nach dem Mahlen in Silan-dotierter AtmosphäreIn: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
    ISBN: 978-3-8440-9105-2

Verschiedenes

  • Behrens, B.-A.; Bonhage, M.; Bohr, D. (2020): Neuartige Verfahrenskombination zur Verarbeitung von Werkstoffen auf Titanaluminid-Basis unter sauerstofffreier Atmosphäre (Poster)In: Behrens, B.-A. (Hg.): Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Umformtechnik. 23. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 04 - 05 March 2020. Garbsen: TEWISS Verlag, pp. 156–157
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

Teilprojektleiterin/Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
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An der Universität 2
30823 Garbsen

Teilprojektbearbeiterin

Jytte Möckelmann, M. Sc.
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
Jytte Möckelmann, M. Sc.
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An der Universität 2
30823 Garbsen