Entwicklung hochfester AlMgSi-Legierungen für die laseradditive Fertigung unter Berücksichtigung der thermischen Prozessführung zur in-situ Ausscheidungshärtung

Abstract

Zur laseradditiven Fertigung von komplexen Aluminiumbauteilen werden bisher größtenteils Werkstoffe verwendet, die für die Verarbeitung mittels anderer Fertigungsverfahren entwickelt wurden und die werkstofftechnischen Potenziale des PBF-LB/M-Prozesses nicht ausschöpfen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige, innovative, prozessoptimierte Aluminiumlegierung für die laseradditive Fertigung im Pulverbett entwickelt und die Prozessführung zur Einstellung eines weiten Eigenschaftsspektrums untersucht. Es wurden verschiedene Al-Mg-Si-Legierungen mit einem Mg2Si-Gehalt oberhalb der maximalen Löslichkeit im α-Mischkristall und variierendem Magnesium- und Siliziumgehalt ausgewählt, in Pulverform hergestellt und mittels selektivem Laserstrahlschmelzen verarbeitet. In Folge der prozessinhärenten Schnellabschreckung aus der Schmelze bis auf die Bauteiltemperatur während des Prozesses wird eine Übersättigung des Mischkristalls eingestellt, der eine Ausscheidungshärtung ohne erneutes Lösungsglühen und Abschrecken erlaubt. Das Verhalten und die Eigenschaften dieser Legierungen werden maßgeblich durch den Ausscheidungszustand bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Eigenschaften einerseits durch eine dem additiven Fertigungsprozess nachgeschaltete Warmauslagerung eingestellt werden, andererseits durch die im PBF-LB/M-Prozess vorliegenden thermischen Bedingungen, wie beispielsweise die eingebrachte Energie und die Grundplattformtemperatur, verändert werden. Es wurden die werkstofftechnischen Zusammenhänge zwischen der thermischen Prozessführung, dem legierungsspezifischen Auslagerungsverhalten, dem sich bildenden Makrogefüge und dem resultierenden mechanischen Eigenschaftsprofil untersucht. Die entwickelte Legierung AlSi3,5Mg2,5 bietet, in Abhängigkeit des Wärmebehandlungszustands, eine Zugfestigkeit von über 500 MPa, beziehungsweise eine Bruchdehnung von bis zu 26,7 %, und erlaubt die Einstellung des benötigten Eigenschaftsprofils in einem größeren Spektrum. Damit übertrifft sie die Kennwerte der Referenzlegierung AlSi10Mg, die typischerweise eine maximale Festigkeit von 420 MPa aufweist.