Werkstoffentwicklung von Molybdän-Kupfer-basierten Werkstoffen zur Anwendung in der additiven Fertigung von Multimaterialstrukturen

Für einen Fortschritt in der additiven Fertigung von Multimaterialverbindungen wird im Rahmen dieser Arbeit die Werkstoffentwicklung einer metallischen Pseudolegierung für das additive Einfassen eines Yttrium–Aluminium–Granat (YAG) betrachtet. Ein derartiges laseraktives Medium wird bislang formschlüssig in Kupferfassungen fixiert, die eine Ableitung der Verlustwärme der Laseremission gewährleisten. Aufgrund der stark divergierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner und zum Ausgleich von Rauheitsunterschieden für einen gleichmäßigen Wärmetransfer wird zwischen Kupfer und YAG eine Indiumfolie eingelegt. Die additive Fertigung bietet über eine stoffschlüssige Ankopplung an den YAG bedeutende Vorteile. Neben einer homogenen Wärmeleitung eröffnet sich darüber hinaus die Möglichkeit zur Funktionsintegration. Allerdings liegen entsprechend der Applikation insbesondere thermische und strukturelle Anforderungen an den Werkstoff vor, aber auch die Gewährleistung einer geeigneten Ankopplung der Multimaterialverbindung ist von Bedeutung. Die Zielsetzung der Werkstoffentwicklung besteht in einem Werkstoff, der an die niedrige Wärmeausdehnung des YAG angepasst ist, zugleich einen niedrigen Schmelzpunkt hinsichtlich der thermischen Beständigkeit sowie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zur Ableitung der Verlustwärme bietet. Außerdem soll eine geeignete Ankopplung der Multimaterialverbindung sowie eine Verarbeitbarkeit mittels infrarotem Laser Metal Deposition (LMD) gegeben sein. Infolge der gestellten Anforderungen werden Molybdän–Kupfer–Verbundwerkstoffe als Basis definiert, da diese sich durch die Kombination der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers und der niedrigen Wärmeausdehnung des Molybdäns auszeichnen. Der Verzicht auf sintertechnische Prozessrouten für das Refraktärmetall ermöglicht eine Senkung der thermischen Beeinträchtigung des YAG. Zur Realisierung niedriger Schmelzpunkte und eines homogenen Gefüges sowie einer geeigneten Anbindung an den YAG werden der Kupfermatrix darüber hinaus Phosphor und Mangan beigemischt. Der resultierende Werkstoff weist ein Gefüge mit hoher relativer Dichte auf, in dem eine homogene Verteilung der Partikel erreicht wird. Der Verbundwerkstoff kann durch den Molybdänanteil gezielt in der thermischen Expansion auf die Multimaterialverbindung eingestellt werden. Es lässt sich eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit erreichen, die sich durch eine gezielte Temperaturführung weiter verbessern lässt. Der Schmelzpunkt des Werkstoffes und die daraus folgende thermische Belastung für die Kontaktierung mit dem YAG werden durch die Phosphorbeigabe signifikant reduziert. Die Zugabe von Mangan zur Kupfer–Phosphor–Matrix ermöglicht eine geeignete Ankopplung an den YAG. Aufgrund des hohen Molybdänanteils und der Phosphorbeimischung im Matrixwerkstoff wird eine deutliche Erhöhung der Absorption für infrarote Wellenlängen erreicht. Die laserbasierte Verarbeitbarkeit des Werkstoffes ist prozesssicher umsetzbar. Der entwickelte Werkstoff auf Basis einer Molybdän–Kupfer–Pseudolegierung konnte durch eine gezielte Einstellung der Materialbestandteile sowie der Wahl der beiden Additive Phosphor und Mangan anforderungsgerecht für die Zielstellung der Multimaterialverbindung mit dem YAG sowie eine additive laserbasierte Verarbeitung mittels infrarotem LMD in den Werkstoffeigenschaften adaptiert werden.