Powder-based additive manufacturing of oxide dispersion-strengthened steels

In diese Dissertation wird die Integration von Oxid-Nanopartikeln (NPs) in das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) zur Herstellung von oxiddispersionsgehärteten (ODS) Stählen mit verbesserter Hochtemperaturbeständigkeit untersucht. Als Modellsystem dient ein vereinfachter Fe20Cr-Werkstoff, um systematisch zu analysieren, wie NP-Eigenschaften – insbesondere Größe, Morphologie, Kristallstruktur und Verteilung – die Mikrostrukturentwicklung und das mechanische Verhalten beeinflussen.Die Arbeit basiert auf drei peer-reviewten Studien: Studie I untersucht die Machbarkeit einer vollständig laserbasierten Prozesskette mit lasererzeugten ZrO₂-NPs. Studie II vergleicht Additivierungsmethoden (Pulverkugekmahlen vs. dielektrophoretische Deposition) unter Verwendung von Y₂O₃. Studie III analysiert den Einfluss der ZrO₂-Syntheseroute und Partikelkonzentration auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften. Zentrale Ergebnisse zeigen, dass lasererzeugte NPs Kornfeinung und Kriechbeständigkeit fördern, jedoch bei höheren Konzentrationen zur Agglomeration neigen. Chemisch synthetisierte NPs bieten hingegen eine höhere Kornstabilität nach der Wärmebehandlung. Die beste Kriechbeständigkeit (5,0 × 10⁻⁸ s⁻¹ bei 600 °C und 50 MPa) wurde mit 1,0 Vol.-% lasererzeugten ZrO₂-NPs erreicht.Die Resultate verdeutlichen, dass die Leistungsfähigkeit von ODS-Stählen in der additiven Fertigung weniger von theoretischen Partikelabständen als vielmehr von der Stabilität und Größe der eingebetteten NPs abhängt. Additivierungsstrategie, Syntheseroute und Partikelkonzentration müssen gezielt aufeinander abgestimmt werden, um sowohl kurzfristige als auch langzeitmechanische Eigenschaften zu optimieren. Diese Arbeit liefert grundlegende Erkenntnisse und praxisrelevante Leitlinien zur Weiterentwicklung laserbasierter ODS-Stahlkonzepte in der additiven Fertigung.