Additive Fertigung hochfester Aluminiumlegierungen durch Laser-Pulver-Auftragschweißen (AluLMD)

Abstract

Das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) bietet Vorteile wie eine höhere Aufbaurate als Pulverbettverfahren und einen flexibleren Werkstoffeinsatz als eine drahtbasierte additive Fertigung. Die Aluminiumlegierung EN AW-7075 bietet eine hohe spezifische Festigkeit, sodass sie für Leichtbauanwendungen in der Luftfahrt und bei Großwälzlagern in Windrädern geeignet ist. Jedoch ist die Schweißeignung der Legierung niedrig, was eine Verarbeitung durch LPA erschwert, da die Legierung eine hohe Heißrissneigung aufweist. Außerdem brennt ein Teil der festigkeitssteigenden Legierungselemente ab. Die Probleme können adressiert werden, indem der Abbrand ausgeglichen wird und das Erstarrungsgefüge gefeint wird, um die Heißrissneigung zu vermindern. Ziel war, bislang nicht für die additive Fertigung geeignete hochfeste Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung durch LPA verfügbar zu machen. Dazu wurden TiC-Nanopartikel als Keime in der Schmelze eingebracht, die Proben mechanisch angeregt und die abrennenden Legierungselemente Zink und Magnesium über geeignete Zulegierungspulver ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Hinzufügen von TiC-Nanopartikeln über ein Vermischen der Pulver möglich ist. Ein Teil der Nanopartikel erreicht dadurch die Schmelze und wirkt als Kornfeiner. Die Korngröße kann stark vermindert werden und ein homogenes Gefüge kann erzeugt werden. Dadurch geht die Anzahl der Heißrisse deutlich zurück und die Zugfestigkeit in der Legierung EN AW-7075 kann deutlich erhöht werden. Die Porosität konnte jedoch kaum vermindert werden. Die Nanoadditivierung ermöglichte das Fertigen eines imperfektionsarmen Funktionsmusters aus der normalerweise schwer schweißbaren Legierung EN AW-7075. Im Vergleich dazu hat die mechanische Anregung bei etwa 20 kHz nur, wenn die Verfahrrichtung parallel zur Schwingungsrichtung ist, zu einer deutlichen Kornfeinung geführt. Beim senkrechten Fall kam es nur zu einem kleinen Kornfeinungseffekt. Insgesamt blieb die Kornfeinung deutlich hinter der Nanoadditivierung zurück. Es haben sich keine Auswirkungen auf die Porosität gezeigt. Die mechanische Anregung bei etwa 20 kHz bleibt jedoch auf kleine Massen der Probe begrenzt. Eine mechanische Anregung mit 50 Hz zeigt keine Einflüsse auf das Gefüge. Die Legierungszusammensetzung kann mit dem Ausgleich des Abbrands durch am Markt verfügbare zink- und magnesiumreiche Zulegierungspulver erhalten werden. Dabei wurde eine gleichmäßige Zusammensetzung innerhalb der Proben erreicht. In der Legierung EN AW-7075 haben die Proben, anders als ohne Zulegieren, auf die Wärmebehandlung nach T6 angesprochen und konnten die gleiche Härte wie das Substrat nach der Wärmebehandlung und das Substrat im Anlieferungszustand T641 erreichen. Die Ergebnisse der Nanoadditivierung, der mechanischen Anregung und des Zulegierens sind für EN AW-7075 und EN AW-5083 ähnlich. Die Kombination der Einzelverfahren zeigte keine Synergieeffekte, aber lassen sich kombinieren, sodass der Abbrand der Legierungselemente und die Nanoadditivierung zur Verminderung der Heißrisse gleichzeitig ausgeführt werden kann. Der technische Nutzen der Erkenntnisse besteht darin, dass hochfeste Aluminiumlegierungen erstmals mittels LPA mit guten mechanischen Eigenschaften, imperfektionsarm und unter Erhalt der chemischen Zusammensetzung verarbeitet werden können. Dies ermöglicht die Kombination des Leichtbaupotentials der hochfesten Legierung mit der Konstruktionsfreiheit der additiven Fertigung. Das Innovationspotential hinsichtlich einer industriellen Umsetzung wird daher als hoch bewertet.