LKR: Hochfeste Al-Legierungen für WAM

Großer Erfolg für das WAM-Team um Stephan Ucsnik und Thomas Klein am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen: Im Zuge ihrer Forschungsarbeit ist es den Experten gelungen, eine Aluminiumlegierung (7075), die eigentlich als nicht schmelzschweißbar und damit nicht-WAM-verarbeitbar galt, erfolgreich mittels drahtbasierter Additiver Fertigung zu verarbeiten und dabei auch noch hervorragende mechanische Eigenschaften zu erreichen.

Erstmals können Al-Legierungen der 7xxx-Klasse mittels drahtbasierter Additiver Fertigung (Wire-based additive Manufacturing – WAM) verarbeitet werden.

Erstmals können Al-Legierungen der 7xxx-Klasse mittels drahtbasierter Additiver Fertigung (Wire-based additive Manufacturing – WAM) verarbeitet werden.

Thomas Klein
Senior Scientist am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen

„Durch das erreichte mechanische Eigenschaftsniveau ist es nun erstmals möglich, Aluminiumstrukturen, die bisher durch andere Verfahren abgebildet wurden, mit WAM zu fertigen.“

Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen gehören zu den leistungsfähigsten Aluminiumlegierungen, sind jedoch äußerst schwer zu verarbeiten, weil sie bei der Erstarrung zur Bildung von Heißrissen neigen. Dabei kommt es zu unzureichender Schmelzerückspeisung in den interdendritischen Bereichen. Abkühlbedingte Spannungen führen ausgehend von diesen Defekten dann zur Bildung von Rissen.

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Mikrostruktur im WAM Zustand as-built (a und b) und im wärmebehandelten Zustand (c und d).

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Mikrostruktur im WAM Zustand as-built (a und b) und im wärmebehandelten Zustand (c und d).

Herausforderung bewältigt

Das LKR-Team hat sich der Problemstellung angenommen und konnte diese Probleme durch selbst entwickeltes hochwertiges Vormaterial und umfassendes Prozess-Know-how unterbinden. Wesentlich ist dabei die Ausbildung einer feinen Kornstruktur, wodurch bei der Erstarrung verbesserte Schmelzerückspeisung gewährleistet und so die Bildung von Rissen verhindert wird. Darüber hinaus liegt der Fokus in allen Prozessschritten auf der Minimierung von Verunreinigungen. So wird Material vergossen, das sehr geringe Wasserstoffgehalte ausweist, und bei den darauffolgenden Verarbeitungsschritten darauf geachtet, keine Verschmutzungen in das WAM-Vormaterial einzuziehen.

Abbildung 1 veranschaulicht die Mikrostruktur nach der WAM-Verarbeitung im verarbeiteten Zustand beziehungsweise nach der Wärmebehandlung. Deutlich erkennbar ist, dass die Mikroseigerungszonen, welche nach dem WAM in der Mikrostruktur vorliegen (Abbildung 1.a und 1.b), sehr fein ausgebildet werden und so durch die Wärmebehandlung sehr gut aufgelöst und fein verteilt wieder ausgeschieden werden können (Abbildung 1.c und 1.d).

Abbildung 2 veranschaulicht die erreichbaren mechanischen Eigenschaften nach WAM-Verarbeitung und Wärmebehandlung der 7075-Legierung im Vergleich zu Literaturwerten, ermittelt an kommerziell verfügbaren Legierungsdrähten. Die Dehngrenze, die in der gegenwärtigen Arbeit erzielt wurde, liegt deutlich über allen bisher erreichten Werten und die Bruchdehnung mit ca. 12 % liegt im Bereich jener von 7075 Aluminium in Platte und Blech im äquivalenten Wärmebehandlungszustand.

Abbildung 2: Vergleich der mechanischen Eigenschaften Dehngrenze und Bruchdehnung der gegenwärtigen Aluminium 7075-Legierung mit Literaturdaten. Alle Kennwerte wurden in äquivalenter Richtung zum Schweißpfad aufgenommen.

Abbildung 2: Vergleich der mechanischen Eigenschaften Dehngrenze und Bruchdehnung der gegenwärtigen Aluminium 7075-Legierung mit Literaturdaten. Alle Kennwerte wurden in äquivalenter Richtung zum Schweißpfad aufgenommen.

Hohes Eigenschaftsniveau

Durch die verbesserte Verarbeitbarkeit von 7xxx Aluminiumlegierungen ergeben sich völlig neue Anwendungsfelder für die WAM-Technologie. Thomas Klein, Senior Scientist am LKR, führt aus: „Erstmals ist es gelungen, hochfeste Aluminiumlegierungen der 7xxx Klasse mittels drahtbasierter Additiver Fertigung zu verarbeiten. Dadurch lassen sich zukünftig beispielsweise höchstbelastete Strukturbauteile für unterschiedlichste Anwendungen ressourcenschonend und energieeffizient herstellen. Durch das erreichte mechanische Eigenschaftsniveau ist es nun erstmals möglich, Aluminiumstrukturen, die bisher durch andere Verfahren abgebildet wurden, mit WAM zu fertigen.“

Stephan Ucsnik, Thematic Coordinator für drahtbasierte Additive Fertigung, ergänzt: „Die von Thomas Klein und den Kollegen erzielten Ergebnisse beweisen, dass die am LKR entwickelten Aluminiumlegierungen das mechanische Potenzial für den Einsatz in der Industrie besitzen – nicht nur in der Luft- und Raumfahrt, sondern auch im Bereich der bodenbezogenen, nachhaltigen Mobilitätssysteme, im Energiesektor oder im Prototypenbau.“

Publiziert wurden die Ergebnisse im Paper „Wire-arc additive manufacturing of Al-Zn5.5-Mg-Cu (ML7075): Shifting paradigms of additive manufacture-ability” (Autoren: Thomas Klein, Leonhard Reiter und Martin Schnall) im Journal „Materials Letters“ bzw. auf sciencedirect.com und ist hier abrufbar: QR-Code

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