Upscaling of high modulus steels for high performance lightweight applications

Gathmann, Manuel; Springer, Hauke Joachim; Münstermann, Sebastian

doi:44637

Upscaling of high modulus steels for high performance lightweight applications

Gathmann, Manuel^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manuel Gathmann, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Springer, Hauke Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06264
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015213/files/1015213.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMWI 20T1913B - Integrierte Werkstoff- und Prozessentwicklung von Hoch-Modul-Stählen (20T1913B) (20T1913B)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
corrosion (frei) ; high modulus steels (frei) ; light weight design (frei) ; surface hardening (frei) ; upscaling (frei) ; welding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Hoch-Modul-Stähle (HMS) sind vielversprechende Leichtbauwerkstoffe der nächsten Generation. HMS sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, welche in-situ gebildete Partikel verwenden, insbesondere Boride, um eine exzellente spezifische Steifigkeit (Steifigkeit/Dichte) von bis zu etwa 36 $\mathrm{GPa~g^{-1}~cm^{3}}$ zu erreichen. Die Grundlagenforschung zu HMS ist bereits weit fortgeschritten, allerdings erfordert der wesentliche Aspekt der Ertüchtigung für Hochleistungs-Leichtbauanwendungen noch weitere Untersuchungen, die hier exemplarisch für ein Luftfahrtantriebsystem durchgeführt wurden. Einer erfolgreichen HMS-Ertüchtigung sind zwei komplexe und miteinander verknüpfte Herausforderungen gegenübergestellt. Zum einem sind die metallurgische Synthese sowie Prozessierung zu Halbzeugen und Bauteilen nicht unmittelbar vom Labor mit wenigen 100 g auf mehrere hundert kg oder Tonnen skalierbar, da die Erstarrungskinetik und die Umformung an die Partikelbildung sowie das Verformungsverhalten angepasst werden müssen. Das hier untersuchte Freiformschmieden einer gegossenen 200 kg schweren Fe-Cr-B-C-Legierung zeigte Herausforderungen bei der Durchführbarkeit auf, die sich durch starke Rissbildung während der Verarbeitung äußerten. Mithilfe von Pulvermetallurgie wurden verschiedene $\mathrm{Fe-TiB_{2}}$- und $\mathrm{Fe-Cr-M_{2}B}$-basierende HMS mit einem Gewicht von etwa 100 kg hergestellt und die nach der Flüssigmetallurgie entstandene unzureichende Duktilität verbessert. Eine Vergröberung der feinverdüsten $\mathrm{M_{2}B}$-Partikel während der Pulververdichtung wirkte sich nachteilig auf die Materialfestigkeit aus, die mittels Ausbalancierung der Partikelgröße und der Restporosität nach der Verdichtung optimiert wurde. Zum anderen müssen technische Eigenschaften wie Korrosion, Schweißen oder Oberflächenhärten nachfassend im Zusammenhang betrachtet werden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Einflussparametern zu ermitteln und eine Grundlage für die Anpassung von HMS für spezifische Anwendungen zu schaffen. Die hier erforschten Prozesse des Einsatzhärtens und Nitrierens führten zu einer erfolgreichen Erhöhung der Oberflächenhärte, was die Anwendungsmöglichkeiten der HMS erweitert. Das Laserstrahlschweißen erfordert eine Schweißnahtvor- und/oder -nachbehandlung, um die Schweißbarkeit von HMS zu verbessern. $\mathrm{Fe-Cr-M_{2}B}$-basierende HMS zeigten eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf, die vergleichbar zu konventionellen nichtrostenden Stählen (X6Cr13 & X20Cr13) war, als $\mathrm{Fe-TiB_{2}}$-basierende HMS. Für die Produktion von Hochleistungs-Leichtbauanwendungen im Industriemaßstab ist die verdüste und heißisostatisch gepresste Fe-Cr-B-C-Legierung am vielversprechendsten, da die mechanischen Eigenschaften mittels Wärmebehandlung angepasst werden können. Zukünftige Untersuchungen sollten sich auf weitere technische Prozesse wie die spanende Fertigung und die Verbesserung der HMS-Umformung sowie neuartiger HMS-Legierungssysteme, wie die hier untersuchte Fe-Cr-Ti-B-Legierung, konzentrieren.

High modulus steels (HMS) are promising next generation lightweight materials. HMS are metal matrix composites that use in-situ formed particles, especially borides, to achieve a superior specific stiffness (stiffness/density) up to about 36 $\mathrm{GPa~g^{-1}~cm^{3}}$. Fundamental research of HMS is already advanced, but the critical aspect of upscaling towards high performance lightweight applications still requires investigations, which was here exemplary studied for an aerospace propulsion system. A successful HMS upscaling faces two main complex and interlinked challenges. Firstly, metallurgical synthesis and processing into semi-finished products and components are not simply scalable from laboratory with few 100 g to several hundred kg or tons, as solidification kinetics and forming must be adapted to the particle formation and deformation behaviour. The here studied open-die forging of a 200 kg casted Fe-Cr-B-C alloy indicated feasibility challenges, as severe cracks formed during processing. Powder metallurgy was used to produce various $\mathrm{Fe-TiB_{2}}$- and $\mathrm{Fe-Cr-M_{2}B}$-based HMS of about 100 kg, and improved the insufficient ductility that resulted from liquid metallurgy. Coarsening of atomised fine $\mathrm{M_{2}B}$ particles during powder compaction had a detrimental effect on the material strength, which was optimised by balancing the particle size and residual porosity after compaction. Secondly, engineering properties like corrosion, welding or surface hardening need to be addressed in tandem to identify an optimal balance between the multiple influencing parameters and generate a basis to adjust HMS for specific applications. The here investigated carburising and nitriding resulted in a successful surface hardness increase, which broadens the HMS’s application opportunities. Laser beam welding requires prior- and/or post-weld heat treatment to increase the HMS’s weldability. $\mathrm{Fe-Cr-M_{2}B}$-based HMS showed a higher corrosion resistance, which was comparable to common stainless steels (X6Cr13 & X20Cr13), than $\mathrm{Fe-TiB_{2}}$-based HMS. For producing high performance lightweight applications in an industrial scale, the atomised and hot isostatic pressed Fe-Cr-B-C alloy is most promising, as the mechanical properties are tunable via heat treatment. Future investigations should focus on further engineering properties like machining and improving forming of HMS as well as novel HMS alloy systems, such as the here investigated Fe-Cr-Ti-B alloy.

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