Artfremdes Mikro-Strahlschweißen von Titan mit Nitinol und nichtrostenden Stählen zur Herstellung eines biokompatiblen Materialverbunds unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen – Teil 2

Die Verwendung komplementärer Legierungen innerhalb eines Bauteils ermöglicht ein gezieltes Einsetzen der spezifischen Werkstoffeigenschaften bei gleichzeitigem Potenzial die Materialkosten deutlich zu senken. Aus diesem Grund rückt das Schweißen von artfremden Werkstoffen (artfremdes Schweißen) als stoffschlüssiges Fügeverfahren zunehmend in den Fokus von Wissenschaft und Industrie. Das Forschungsvorhaben „MeTiWeld“ hat sich diesbezüglich mit der Herstellung von Mischverbindungen zwischen Titan und nichtrostenden Stählen sowie Titan und Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (kurz: NiTi) für medizintechnische Anwendungen befasst. Ziel dabei war es, defektfreie und haltbare Verbindungen mittels sowohl Mikro-Elektronenstrahlschweißen als auch gepulstem Laserstrahlschweißen prozesssicher herzustellen und gleichzeitig die Biokompatibilität der geschweißten Bauteile zu bewahren. Dafür wurde zunächst der Einfluss prozessspezifischer Parameter auf die Schweißeignung der Materialkombinationen an verschiedenen anwendungsnahen Proben- und Fügegeometrien ermittelt. Im Anschluss daran wurde das erlangte Prozessverständnis auf Schweißversuche mit Zusatzwerkstoffen übertragen. Dafür wurden die Refraktärmetalle Hafnium, Niob und Tantal implementiert, die sich durch ihre natürliche Biokompatibilität auszeichnen und folglich für einen Einsatz in der Medizintechnik prädestiniert sind. Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich um den zweiten Teil des in SCHWEISSEN UND SCHNEIDEN 4/2024 erschienenen Beitrags, in dem die Ergebnisse der Schweißversuche mit Zusatzwerkstoffen sowie ausgewählte Resultate der quasista-tischen Zugversuche vorgestellt werden. Es wird aufgezeigt, dass durch die Anwendung einer Pufferlage aus Tantal oder Niob, mit Hilfe derer die Grundwerkstoffe über zwei separate Schweißnähte vollständig metallurgisch getrennt werden, eine signifikante Steigerung der Schweißeignung realisiert werden kann. Demgegenüber sind die Mischverbindungen mit eingeschweißten Refraktärmetallen, analog zu den Schweißnähten ohne Zusatzwerkstoffe, größtenteils stark rissanfällig. Ausschließlich bei der Materialkombination Titan / NiTi kann ein kontrolliertes Einmischen von Niob exzellente mechanische Eigenschaften hervorrufen, welche die Festigkeitswerte aus bisherigen Studien zum artfremden Schweißen dieser Grundwerkstoffe deutlich übertreffen.