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Zusammenfassung
  • 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.
Abstract
  • This dissertation explores the integration of oxide nanoparticles (NPs) into powder bed fusion using a laser beam (PBF-LB/M) to fabricate oxide dispersion-strengthened (ODS) steels with enhanced high-temperature performance. A simplified Fe20Cr alloy system was used to systematically investigate how NP characteristics—such as size, morphology, crystallographic phase, and distribution—affect microstructure evolution and mechanical behaviour.Three peer-reviewed studies form the empirical foundation: Study I establishes the feasibility of a fully laser-assisted process chain using laser-generated ZrO₂ NPs; Study II compares nanoparticle additivation methods (ball milling vs. dielectrophoretic deposition) using Y₂O₃; and Study III examines the influence of ZrO₂ synthesis route and loading on microstructure and mechanical response. Key findings include that laser-generated NPs promote grain refinement and creep resistance, but suffer from agglomeration at higher loadings, while chemically synthesized NPs provide superior grain stability after heat treatment. The highest creep resistance (5.0 × 10⁻⁸ s⁻¹ at 600 °C, 50 MPa) was achieved using 1.0 vol% laser-generated ZrO₂ NPs.The results highlight that ODS performance in AM systems depends less on theoretical particle spacing and more on retained NP size and thermal stability. Additivation strategy, synthesis route, and NP concentration must be jointly optimized to tailor short-term and long-term mechanical properties. This work provides foundational insights and process guidelines for advancing ODS steel design in laser-based additive manufacturing.
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