Development of high-strength aluminium alloys for laser powder bed fusion

Roscher, Moritz; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor); Jägle, Eric A. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF, engl. für pulverbettbasiertes Laserschmelzen) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem dreidimensionale Bauteile anhand von CAD Modellen durch das schichtweise Aufschmelzen von Metallpulvern produziert werden. Da L-PBF die Herstellung von geometrisch komplexen Bauteilen ermöglicht, die nicht mittels konventioneller Fertigungsverfahren produzierbar sind, eröffnet L-PBF die Möglichkeit, Metallbauteile mit verbesserter Funktionalität und niedrigerem Gewicht zu produzieren. Dabei sind Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer niedrigen Massendichte für die Herstellung gewichtsoptimierter Strukturbauteile geeignet. Der Einsatz von Aluminiumlegierungen im L-PBF-Verfahren ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden. Zum einen können herkömmliche, hochfeste Aluminiumlegierungen in L-PBF nicht verwendet werden, da sich während des Prozesses Erstarrungsrisse bilden, die zu vorzeitigem Materialversagen führen. Andererseits weist der Großteil der für L-PBF geeigneten Aluminiumlegierungen keine attraktiven Kombinationen von Festigkeit und Duktilität auf. Ziel dieser Arbeit ist es daher, Aluminiumlegierungen zu entwickeln, die gleichzeitig eine hohe Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit mittels L-PBF aufweisen und dabei nicht auf teure Legierungselemente angewiesen sind. Zu diesem Zweck werden drei verschiedene Legierungsdesignstrategien verfolgt. Zunächst wird mittels des Laseroberflächenschmelzens untersucht, ob die kommerziell erhältlichen, hochfesten Aluminiumlegierungen 2065 und 7034 für den Einsatz im L-PBF-Verfahren geeignet sind. Nach der Laserbehandlung werden in beiden Legierungen Erstarrungsrisse nachgewiesen, was auf eine schlechte Verarbeitbarkeit mittels L-PBF hindeutet. Die Bildung von Erstarrungsrissen wird anhand von Kornfeinung und eines quantitativen Kriteriums für Erstarrungsrissbildung diskutiert. Dadurch wird die Rissbildung in beiden Legierungen mit ihren chemischen Zusammensetzungen und den daraus resultierenden Gefügemerkmalen in Verbindung gesetzt. Mittels des Laseroberflächenlegierens wird die chemische Zusammensetzung von Legierung 2065 mit dem Ziel modifiziert, Rissbildung vollständig zu unterdrücken und somit die Verarbeitung dieser Legierung mittels L-PBF zu ermöglichen. Während die Zugabe von Kupfer einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Rissbildungstendenz hat, zeigt eine titanmodifizierte 2065 Legierung eine hohe Beständigkeit gegen Rissbildung während des Laseroberflächenschmelzens, was ihre Verwendung in L-PBF nahelegt. Im Rahmen eines zweiten Ansatzes wird eine neuartige Al-Ti-Si-Legierung entwickelt, bei der das L12-Al3X-bildende Element Titan als ausscheidungshärtendes Element dient. Zu diesem Zweck werden zunächst eine Reihe verschiedener Zusammensetzungen auf Al-Ti-Basis aus elementaren Pulvermischungen hergestellt und anschließend charakterisiert, darunter binäre Al-Ti- und ternäre Al-Ti-X-Legierungen mit Zusätzen von Nickel und Silizium. Alle Legierungen weisen nach der Herstellung mittels L-PBF rissfreie und hochgradig übersättigte Gefüge auf. Die Bildung der gewünschten L12-Al3Ti Phase, die mit einem Härteanstieg einhergeht, wird jedoch ausschließlich in einer siliziumhaltigen Al-Ti-Si-Legierung beobachtet. Dies ist auf den Einfluss des Siliziums auf den Ausscheidungsprozess zurückzuführen, der auf der Grundlage thermodynamischer und kinetischer Effekte aufgeklärt wird. In einer dritten Strategie werden hochfeste Aluminiumlegierungen auf Basis des eutektischen Al-Ni-Systems mit Hilfe eines mechanismenbasierten Legierungsdesignansatzes entwickelt. Das Ziel ist die Bildung einer Mikrostruktur, in der mehrere Verfestigungsmechanismen zur Festigkeit beitragen. Zu diesem Zweck werden theoretische Modelle verwendet, um Legierungselemente zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, homogene und übersättigte Mischkristalle während des L-PBF-Prozesses zu bilden. Durch diese Methode wird eine Al-Ni-Zr-Cr-Legierung entwickelt. Durch eine ausführliche Mikrostrukturcharakterisierung zeigt sich, dass Zr und Cr im L-PBF-produzierten Material hauptsächlich im Mischkristall vorliegen. Durch eine Wärmebehandlung wird eine hohe Anzahldichte von bis zu 10^24 L12-Al3Zr-Ausscheidungen pro m^3 erzeugt, während Cr größtenteils im Mischkristall verharrt, was zu einer Festigkeitssteigerung durch Mischkristallhärtung führt. Die Zugeigenschaften und die Temperaturstabilität der Al-Ni-Zr-Cr-Legierung werden mit anderen Aluminiumlegierungen verglichen und im Rahmen der zugrundeliegenden Verfestigungsmechanismen diskutiert. In dieser Arbeit werden neuartige Aluminiumlegierungen für L-PBF vorgestellt, Methoden für effizientes Legierungsscreening präsentiert und metallphysikalische Mechanismen diskutiert, deren Verständnis das Legierungsdesign für L-PBF vorantreiben kann.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]