Im Rahmen meiner fachlichen Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Zentralinstitut für Festkörperphysik und Werkstoffforschung (ZFW) und nach 1991 im neu gegründeten Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Fh-IWS Dresden) war ich an verschiedenen werkstoffbasierenden Technologie-Entwicklungen beteiligt bzw. auch deren Mitinitiator. Hierbei konnte ich viele Gefüge und Eigenschaften technisch relevanter Legierungen nach verschiedenen Abkühl- und Wärmebehandlungszuständen kennen  und verstehen lernen. Hieraus ergaben sich viele "Puzzle"-Teile, welche das Bild über den Einfluss metastabiler Lösungszustände auf die Gefüge- und Eigenschaftsausbildungen Schritt für Schritt vervollständigte. In der relevanten Fachliteratur über technische Werkstoffe (mit Ausnahme verschiedener  Beiträge zur Pulvermetallurgie) wird auf diesen Zusamenhang bisher sehr selten und meistens nur partiell eingegangen.  

Die nachfolgende Aufzählung soll einen Überblick über meine wichtigsten Arbeitsgebiete geben (Technologieentwicklungen und daraus gewonnenen Erke nntnisse):

• Erzeugung und Anwendung mikrokristalliner und amorpher Metallbänder 
  • Herstellung über "Planar flow casting"- Prinzip, erzeugte Dicke 25 - 50 µm
  • Untersuchte Werkstoffe: verschiedene Stähle und Eisenwerkstoffe, Kobalt (Stellite) - und Nickel-Basis-Hartlegierungen
  • Vergleich der Gefügeausbildung zwischen konventionellem Gusszustand (Ausgangsgefüge) und dem mikrokristallinen Erstarrungsgefüge (Erstarrungsgeschwindigkeiten von ca. 10 bis 1.000.000 K/s)
  • Beobachtung und Messung metastabiler Löslichkeiten der jeweiligen Mischkristalle
  • aktive Legierungsentwicklung zur Realisierung amorpher Stellit-Bänder
  • Verarbeitung amorpher Stellitbänder: Verfahrensentwicklung zum Laser- Auftragschweißen unter Nutzung amorpher Metallbänder
    • Zusammenhang von metastabilen Gefügen und Rissbildung
    • Einfluss von Erstarrungsgeschwindigkeit und Schichtdicke auf
      • metastabile Löslichkeiten
      • die Ausbildung der Wärmeeinflusszonen

Prinzip des Auftragschweißens mit amorphen Metallbänder *       Typische Querschliffe von Einzelspuren *           

• Verfahrensentwicklung zum Hochgeschwindigkeits-Gießplattieren
  • Verfahrensprinzip: Induktiv verflüssigter Beschichtungswerkstoff wird über eine spezielle Düse auf die partiell (spurweise) mittels WIG-Bogen oder Laserstrahl angeschmolzene Substratoberfläche gebracht
  • Gießplattieren für Außen- und Innenflächen
  • Beschichtungswerkstoffe: CrNi- Stahl, Stellite, Cu- und Al-Legierungen
  • Beschichtungsgeschwindigkeit bis 5 m/s bei Einzelspurbreiten von 1,0 mm und Spurhöhen von ca. 150 µm

  • Vergleich konventioneller und mikrokristalliner Gefüge- und Löslichkeitszustände (Erstarrungsgeschwindigkeiten bis 100.000 K/s)

  • Einfluss der Erstarrungsgeschwindigkeit auf die Ausbildung der Wärmeeinflusszonen                                     

Prinzipdarstellung Gießplattieren mit gebündelten WIG-Bogen *           beschichtete Mantelfläche auf Stahlring *

• Induktiv unterstütztes Laser-Pulver-Auftragschweißen
  • Vermeidung der Kaltrissbildung beim Laser-Auftragschweißen von Ni- und Co-Basis-Hartlegierugen und karbidverstärkten Dispersionswerkstoffen durch induktives Vorwärmen der Bauteile
  • Erzeugung mehrlagiger Auftragschichten
  • metastabile Löslichkeiten und Gefügebildungen von komplexen Legierungen

Mit WC-Schmelzkarbid + NiCrBor 40 beschichtete Probe*                REM-Rückstreubild des Schichtgefüges*

Induktiv unterstütztes Laserschweißen von Automatenstahl

• Vermeidung bzw. Realisierung von Heißrissen durch induktives Vorwärmfeld
• Erzeugung feinkristalliner Gussgefüge mit und ohne Werkstück-Vorwärmung

lasergeschweißter Automatenstahl, ohne Vorwärmung *               mit prozessintegrierter induktiver Vorwärmung *

• Laserschweißen von zu Heißrissen neigenden Al-Legierungen
  • legierungstechnische Variation von Schweißzusatzwerkstoffen zur Vermeidung von Heißrissen
  • Vordeponierung von bandförmigen Schweißzusatzwerkstoffen im Schweißspalt
  • Vergleich von Guss-, Knet – und mikrokristallinen Gefügen 

Al-Legierung 6013, lasergeschweißt mit vordeponiertem bandförmigen Al12 basierten Schweißzusatzwerkstoff *

• Induktiv unterstütztes Laserumschmelzen von Al-Guss
  • Erzeugen feinkristalliner konturnaher Randschichten an Druckgussteilen
  • Ausbildung von Gussgefügen nach verschiedenen Erstarrungsgeschwindigkeiten

Querschliff vom Übergang des laserumgeschmolzenen Randgefüges zum Ausgangsgefüge einer Al-Druckguss-Legierung *

• Induktiv unterstütztes Laser-Walzplattieren schwer schweißbarer Werkstoffe
  • Bestrahlen der beiden Fügeflächen mittels Laserstrahl unmittelbar vor dem Walzspalt 
  • verformungsinduziertes Thermisches Fügen unter Nutzung von Temperatur- und Verformungsgradienten
  • lokale Fügezone mit mikrokristalliner Erstarrung und unterschiedlicher Abkühlung

Prinzipdarstellung des Laserwalzplattierens *                                                      laserwalzplattierte Cu-Al-Bimetalle * 

Bimetall-Fügezonen:   Querschliff C-Stahl/ Baustahl *                     Querschliff Cu/Al *                                        Längsschliff Cu/Al *

• induktive und laserbasierte Festphasenumwandlungen wie Härten, Lösungsglühen und Ausscheidungshärte
  
  • Zur partiellen Oberflächenhärtung von Bauteilen und Werkzeugen bei vorliegen ausreichender Eigenabschreckung (guter Wärmeableitung aus der Randzone)
  • Vorteile: Belastungsangepasste Werkstoffeigenschaften bei minimalem Verzug
  • Besonders geeignet für automatisierte bzw. teilautomatisierte Fertigungsprozesse von Bauteilen und Werkzeugen sowie für die Randschichtbehandlung von größeren Bauteilen

• Werkstoffentwicklungen
  • Legierungsentwicklungen zur Amorphisierung von Stelliten, die amorph als Folien herstellbar und mittels z.B. Lasern als kristalline Schicht auftraggeschweißt werden können (z.B. als warmfeste und korrosiosbeständige Beschichtung) 
  • Legierungsentwicklungen für thermo-chemische Randschicht-Behandlungen von warmfesten Fe-, Ni- und Co- Hartlegierungen
  • Prototyp eines hoch Cr- und C- haltigen Stahls, welcher nach dem Auftragschweißen ein metastabiles austenitisches Gefüge aufweist  und nach der Fertigbearbeitung des Bauteils mittels einer Anlassbehandlung in Martensit (bis ca. 60 HRC) umgewandelt werden kann

 links: Gefügeaufbau einer Laserauftragschweißung, erzeugt aus einer modifizierten Co-Basislegierung , extrem feinkörnige Oberflächennahe Erstarrungszon, darunter feindendritisches Erstarrungsgefüge auf der Substratoberfläche*

rechts: Prototyp-Legierung (Cr/C-Basis) im Gusszustand, austenitisches Gefüge mit sekundäre Austenitkorngrenzen *                                                                                                                   

• Zusammenfassung Verfahrenskenntnisse
  • Planar Flow Casting (Schnellabkühlungsprozess)
  • Hochgeschwindigkeit Gießplattieren (Eigenentwicklung unter Nutzung von induktivem Schmelzen des Beschichtungswerkstoffs sowie WIG-Bogen- bzw. Laser zur Anschmelzung der Substratoberfläche)
  • Laser- Band- Auftragschweißen (mit amorphen Folien)
  • Laser-Pulver-Autragschweißen für z.B.Rapid Prototyping
  • Laserschweißen
  • Laserhärten
  • induktiv unterstützte Verfahrensentwicklungen
    • Laser-Pulver-Auftragschweißen
    • Laser-Umschmelzen
    • Laserwalzplattieren
• Zusammenfassung spezieller Werkstoffkenntnisse
  • Umfangreiche Erkenntnisse über die Ausbildung metastabiler Erstarrungsgefüge, welche in der Regel nach thermisch basierten Oberflächenbeschichtungen, Randschichtbehandlungen und Fügeprozessen vorliegen 
  • Strategien zur Vermeidung potenzieller Gefügefehler bei Nutzung der genannten Prozesse