Additive-FertigungPerfekt angepasste Legierung
Prozessoptimierte hochfeste Aluminiumlegierung für den WAM-Prozess: Die Etablierung von additiven Fertigungstechnologien in modernen und flexiblen Fertigungsketten schreitet stetig voran. Fokus der Forschungsarbeiten der vergangenen Jahre am LKR Leichtmetallkompetenzzentrum ist dabei besonders die Entwicklung neuer hochfester Zusätze für die drahtbasierte Additive Fertigung (engl. wire-based additive manufacturing, WAM). Hier liegt besonders die robuste Verarbeitbarkeit im Vordergrund, da etwa Rissbildung von hochfesten Aluminiumlegierungen ein Hindernis bezüglich ihres Einsatzes in der Additiven Fertigung darstellen.
Abbildung 1. Lichtmikroskopische Aufnahmen einer WAM-verarbeiteten modifizierten hochfesten Aluminiumlegierung. (a) Überblick; (b) – (d) Mikrostrukturelle Details in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen (as built = wie gebaut; 1 stage AA = Lösungsgeglüht und einstufig warmausgelagert; 2 stage AA = Lösungsgeglüht und zweistufig warmausgelagert).
Publikationen zu diesen Themen
„Wire-arc additive manufacturing of a novel high-performance Al-Zn-Mg-Cu alloy: Processing, characterization and feasibility demonstration“ Additive Manufacturing 37 (2021), 101663 (Autoren: Thomas Klein, Martin Schnall, Bianca Gomes, Piotr Warczok, Dominik Fleischhacker und Paulo Morais) abrufbar unter:
„Quench rate sensitivity of age-hardenable Al-Zn-Mg-Cu alloys with respect to the Zn/Mg ratio: An in situ SAXS and HEXRD study“ Acta Materialia 227 (2022), 117727 (Autoren: Gloria Graf, Petra Spoerk-Erdely, Peter Staron, Andreas Stark, Francisca Mendez-Martin, Helmut Clemens, Thomas Klein) abrufbar unter:
Im Rahmen des europäischen Projekts Multi-Fun werden multifunktionelle Demonstratoren durch Kombination verschiedener additiver Fertigungsprozesse hergestellt. Eine dieser Strukturen zielt auf den Einsatz in der Luftfahrt ab, wobei eine Glasfaser für das Lebensdauer-Monitoring in die Struktur eingearbeitet wird. Nebst hohen Anforderungen an die strukturelle Integrität ist besonders Schädigungsvermeidung der Glasfaser während der Herstellung mittels Schmelzschweißverfahren zu gewährleisten.
Abbildung 2. Vergleich der Ausscheidungsantwort nach verschiedenen vorangegangenen Abkühlbedingungen, ermittelt mittels Röntgenkleinwinkelstreuung, durchgeführt am Deutschen Elektronen Synchrotron für (a) die neuartige Legierung mit erhöhtem Mg-Gehalt und (b) eine konventionelle AA7075 Legierung.
Problematische Rissneigung
Die Familie der Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen stellt seit über 70 Jahren Standardwerkstoffe für den Flugzeugbau – sehr bekannt ist die Variante 7075. Diese in der 7000er Serie zusammengefassten Typen gehören zu den leistungsfähigsten Aluminiumlegierungen, sind jedoch äußerst schwer schmelztechnisch zu verarbeiten, weil sie bei der Erstarrung zur Bildung von Heißrissen neigen.
Im Rahmen der Forschungsarbeiten am LKR konnten derartige Legierungen durch das Verhältnis von Mg zu Zn derart modifiziert werden, dass die Rissneigung unterdrückt wurde. Abbildung 1 veranschaulicht die Mikrostruktur einer derartigen Aluminiumprobe in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen.
Auswirkung der Abschreckrate
Neben der Integration der als Sensoren wirkenden Glasfasern mittels WAM hält auch die nachgelagerte Wärmebehandlungskette Herausforderungen bereit. Hierbei spielt die große Ungleichheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumlegierungen und Glasfasern eine entscheidende Rolle. Das üblicherweise durchgeführte Abschrecken in Wasser führt zu sehr raschen Schrumpfungsvorgängen, die eine Schädigung der eingebetteten Glasfaser bewirken könnten.
Um dies zu vermeiden, kommt ein weiterer Aspekt der neuartigen Legierung mit erhöhtem Mg-Gehalt vorteilhaft zum Tragen, nämlich die Möglichkeit, die Abkühlung nach dem Aushärten sehr langsam an der Luft stattfinden zu lassen. So konnte vergleichend gezeigt werden, dass die Ausscheidungsantwort in einem viel geringeren Maße von der vorangegangenen Abschreckrate abhängt als bei konventionellen 7000er-Legierungen (siehe Abbildung 2).
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass für die Etablierung von WAM-Prozessen für multifunktionelle Strukturen neuartige Legierungen entscheidende Beiträge liefern können. Angepasst an die Fragestellungen eines Demonstrationsobjekts des Projekts Multi-Fun wurde eine derartige Legierung entwickelt, die neben robuster Verarbeitbarkeit eine hohe Festigkeit aufweist und durch eine geringe Abschreckratenabhängigkeit die Integrität einer integrierten Glasfaser erhalten kann.
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