Die folgenden Projekte werden mit DFG-Mitteln gefördert. Das Fachgebiet Metallkunde und Werkstofftechnik bedankt sich beim Fördergeber für die Möglichkeit zur Realisierung der Forschungsvorhaben.


Prozessbeschleunigung des Isothermschmiedens von Titanaluminiden durch mikrostrukturadaptive Geschwindigkeitssteuerung (DFG-Projekt: WE2671/7-2)
Laufzeit: 06/2021 – 05/2022

Das Schmieden von Intermetallische Titanaluminide (TiAl) kann aktuell nur als zweistufiger Iso-thermschmiedeprozess bei Temperaturen von mindestens 1200°C und Prozesszeiten von mehreren Minuten pro Hub erfolgen. Damit sind lange Prozesszeiten, eine hohe Belastung der extrem teuren Molybdän-Basis-Gesenke und hohe Herstellungskosten verbunden, die einer breiteren Anwendung von TiAl entgegenstehen. Der vorliegende Projektantrag verfolgt das Ziel, den Isothermschmiedepro­zess, der industriell mit konstanter Stößelgeschwindigkeit erfolgt, durch gezielte Steuerung der Stößelbewegung zu verkürzen. Die Arbeiten der ersten Förderperiode belegen, dass der Umformprozess durch eine vorher durchgeführte Wärmebehandlung erheblich beschleunigt werden kann, ohne dabei eine erhöhte Schädigung im Material hervorzurufen. Dabei wird jedoch nur das material­spezifische Ver-/Entfestigungsverhalten berücksichtigt und nicht die hohe Varianz des Materials, der Einfluss der Werkstückgeometrie oder die komplexe Gefüge- und Schädigungsentwicklung des Werkstoffs während der Verformung. Zu diesem Zweck soll eine Prozessteuerung entwickelt werden, welche  den ML-Algorithmus, das FEM-Modell sowie das Schadensmodells verbindet. Mittels FEM werden das variable Materialverhalten sowie die unterschiedlichen Werkstückgeometrien während der Umformung simuliert. Des Weiteren wird ein Gurson-Tvergaard-Needleman-Schadensmodell an Titanaluminide angepasst und mit dem FEM-Modell gekoppelt. Der ML-Algorithmus wird die Stößelgeschwindigkeit anschließend entsprechend der Werkstückgeometrie, der Materialvarianz sowie anhand des vorhergesagten Schädigungsverhalten anpassen. Um ein tiefer greifendes Wissen über die Mikrostrukturentwicklung von TNM-B1 während der Warmumformung zu gewinnen, werden In-situ-Untersuchungen (DESY – Petra III) durchgeführt. Die Ergebnisse werden Aufschluss über die genaue Phasenzusammensetzung, die Initiierung der Rekristallisation sowie Einzelheiten darüber, warum die Wärmebehandlung bei allen getesteten Bedingungen zu einer verringerten Fließspannung führte. Bei der Wärmebehandlung von größeren Bauteilen, wie z.B. Turbinenschaufeln, bildet sich ein Temperaturgradient aus. Die oberflächennahe Mikrostruktur kühlt schneller ab als das Innere des Bauteils, was zu einem Unterschiedlichen globularen, lamellaren und perlitischen/zellularen Gefügeanteil über den Bauteilquerschnitt führt. Um den Mikrostrukturgradienten zu bewerten, wird ein Schmiederohling die gesamte Prozesskette, sowohl für konstante als auch für beschleunigte Geschwindigkeiten, durchlaufen. Darüber hinaus wird der Einsatz einer Nachwärmebehandlung untersucht, um die gewünschten endgültigen mechanischen Eigenschaften einzustellen.


Messung und Simulation der zyklischen Verformung oligokristalliner Strukturen am Beispiel koronarer Stents (DFG-Projekt: WE 2671/11-1)
Laufzeit: 09/2018 – 08/2021

Die meisten metallischen Mikrobauteile, wie zum Beispiel koronare Stents, bestehen aus oligokristallinen Gefüge­strukturen. Dies bedeutet, dass solche Bauteile im Probenquerschnitt nur noch wenige Kristallite bis hin zu einem einzigen Korn über dem Wandquerschnitt haben. Das Verformungsverhalten solcher Strukturen ist deutlich verschieden gegenüber dem von Polykristallen, da die Anisotropie der einzelnen Kristallite sowie deren nächste Nachbarschaften bei der Verformung mit berücksichtigt werden müssen. Die meisten gängigen Werkstoffe sind in Bezug auf ihre zyklischen Eigenschaften gut untersucht. Allerdings basieren die vorliegenden Daten auf an Standardproben der Werkstoffprüfung, die in ihren Ausmaßen keinesfalls mit denen von Mikro­bauteilen vergleichbar sind, ermittelten Werten. In einem vorherigen Projekt wurden die Verformungsmechanismen von Oligokristallen an, bezüglich der Verformungsrichtung verschieden orientierten Flachproben, sowie unter­schiedlich gekerbten Drähten bei der statischen einachsigen Verformung erarbeitet. Darauf basierend erfolgten die Entwicklung eines kontinuums­mechanischen Modells und einer kristallplastischen Betrachtung auf der Grundlage spezifischer Eingangsdaten zur Vorhersage des statischen Verformungsverhaltens oligokristalliner Strukturen. Ziel des vorliegenden Projektes ist die grundlegende Erarbeitung und begleitende Simulation der Verformungsmechanismen von Oligokristallen bei zyklischer Verformung am Beispiel von Stentwerk­stoffen. Die Resultate sind übertragbar auf die unter­schiedlichsten miniaturisierten Werkstoffsysteme, da sowohl bei statischer als auch bei zyklischer Verformung starke Größeneffekte bei der mechanischen Belastung von Bauteilen auftreten, sobald die Korngröße die Größen­ordnung der Bauteilwanddicke erreicht. Basierend auf den experimentellen Erfahrungen und bisher entwickelten Verformungsmodellen des Vorgängerprojektes sollen sowohl Experimente als auch die Simulation auf eine einachsige zyklische Belastung und statische mehrachsige sowie zyklische mehrachsige Belastung (Biegung, bzw. Biegewechsel) unter Berücksichtigung statistischer Effekte hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungsvertei­lungen ausgeweitet werden.