AT525352B1

AT525352B1 - Draht aus einer Aluminiumbasislegierung für die additive Fertigung, Verwendung desselben und Verfahren zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung

Info

Publication number: AT525352B1
Application number: ATA50025/2022A
Authority: AT
Inventors: Klein Dipl -Ing Dr Thomas
Original assignee: Lkr Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen Gmbh
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-03-15
Also published as: AT525352A4; WO2023137509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Draht aus einer Aluminiumbasislegierung für die additive Fertigung. Um Objekte aus einem entsprechenden Draht mit guten mechanischen Eigenschaften erstellen zu können, weist der Draht (in Gew.-%): 2,0 % bis 6,0 % Zink 3,5 % bis 7,0 % Magnesium optional bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,75 % Kupfer bis zu 1,5 % Silber optional bis zu 0,45 % Zirconium Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Drahtes sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung.

Description

Beschreibung

DRAHT AUS EINER ALUMINIUMBASISLEGIERUNG FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG, VERWENDUNG DESSELBEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OBJEKTES DURCH ADDITIVE FERTIGUNG

[0001] Die Erfindung betrifft einen Draht aus einer Aluminiumbasislegierung für die additive Fertigung. [0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Drahtes.

[0003] Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung.

[0004] Die additive Fertigung von Gegenständen findet in Jüngerer Vergangenheit verstärkt Eingang in Produktionsprozesse und beginnt sich oder hat sich bereits als wichtige Prozesstechnologie für die Herstellung bestimmter Gegenstände durchgesetzt. Dies gilt nicht nur für den Bereich der Kunststoffe, sondern auch für Objekte aus einem Metall oder einer Legierung, die in der Regel durch Gießen zu einem Halbzeug verarbeitet werden, welches anschließend auf Endabmessung weiterverarbeitet wird, insbesondere durch umformende, spanabhebende oder andere formgebende Prozesse. Möglich ist es auch, Metalle und Legierungen sogleich endabmessungsnah herzustellen, wonach zumeist allerdings noch weitere Prozessschritte zur Erreichung einer Endform vorgesehen sind, beispielsweise Fräs-, Dreh- oder Schruppbehandlungen.

[0005] Die additive Fertigung bietet insbesondere auch bei Metallen und Legierungen viele Vorteile in Bezug auf eine effektive und effiziente Fertigung komplexer Geometrien. Dies gilt auch für Aluminiumlegierungen, die durch additive Fertigung zu Objekten weitgehend beliebiger Form verarbeitet werden können, beispielsweise diversen Automobil- und Flugzeugteilen.

[0006] Bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen durch additive Fertigung kommt in der Regel ein Schmelzschweißen zur Anwendung, wobei üblicherweise bereits vorhandenes Schmelzschweißequipment genutzt wird und wobei Lichtbogen, Plasma oder Laser als Wärmequelle eingesetzt werden können. Die Aluminiumlegierung wird dabei in Form eines Drahtes zugeführt und durch punktuelles Schmelzen des Drahtes unter Bildung des zu erstellenden Objektes geschmolzen und erstarren gelassen.

[0007] Für die additive Fertigung von Objekten aus Aluminiumlegierungen können Legierungsdrähte der 2xxx-, 4xxx-, 5xxx- und, allerdings eher selten, der 6xxx-Serie erworben werden. Entsprechende Legierungen lassen sich in Form eines Drahtes im Schmelzschweißverfahren gut verarbeiten, allerdings sind die mechanischen Eigenschaften für viele Anwendungen nicht ausreichend oder unbefriedigend. Jede der einzelnen Serien bringt allgemein betrachtet spezielle Vorteile, aber auch Probleme mit sich. Beispielsweise weisen Legierungen der 6xxx-Serie in der Regel gute mechanische Eigenschaften auf, lassen sich allerdings nur sehr schwierig verarbeiten. Legierungen der 5xxx-Serie lassen sich beispielsweise durch Umformung sehr gut verfestigen, was jedoch in Kombination mit additiven Verarbeitungsverfahren zu einer Verringerung der möglichen Geometriekomplexität führt.

[0008] Es wurde schon versucht, Legierungen zu entwickeln, welche ein ausgewogeneres Eigenschaftsprofil haben und sich besser für die additive Fertigung eignen. Hierzu zählen insbesondere Legierungen des Typs Al-Zn-Mg-Cu, die in diesem Zusammenhang untersucht wurden (B.J. Morais et al., Materials 2020, 13, 1610; D. Klein et al., Additive Manufacturing 37, 2021, 101663).

[0009] Entsprechende Drähte aus 7xxx-Legierungen können durch additive Fertigung durchaus zu komplexen Geometrien verarbeitet werden, allerdings ist die Verarbeitbarkeit schwierig, da die entsprechenden Legierungen beim Schmelzschweißen sehr stark zur Bildung von Heißrissen neigen. Dies ist für eine großtechnische Fertigung von Automobil- und Flugzeugteilen oder dergleichen, die in der Regel höchsten Anforderungen in Bezug auf Versagen genügen müssen, nicht akzeptabel. Auch kann die für Automobil- und Flugzeugteile geforderte Festigkeit teilweise

nicht erreicht werden.

[0010] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Draht der eingangs genannten Art anzugeben, der derart weiterentwickelt ist, dass der Draht die Erstellung verbesserter Objekte durch additive Fertigung mit einem Draht aus der Aluminiumlegierung erlaubt, insbesondere in Bezug auf eine Reduktion von Heißrissen bei gleichzeitig hoher Festigkeit.

[0011] Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines derartigen Drahtes anzugeben.

[0012] Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Objekte verbesserter Güte aus einem Draht aus einer Aluminiumlegierung durch additive Fertigung im Schmelzschweißprozess erstellt werden können.

[0013] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Draht aus einer Aluminiumbasislegierung für die additive Fertigung, aufweisend (in Gewichtsprozent, im Folgenden kurz Gew.%):

2,0 % bis 6,0 % Zink

3,5 % bis 7,0 % Magnesium

optional bis zu 1,5 % Mangan

bis zu 1,75 % Kupfer

bis zu 1,5 % Silber

optional bis zu 0,45 % Zirconium

Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

[0014] Ein derartiger Draht weist insbesondere den Vorteil einer guten Verarbeitbarkeit mit der Möglichkeit, mechanische Eigenschaften auf ein gewünschtes Niveau einstellen zu können, auf. Insbesondere bei der üblicherweise vorgesehenen Verarbeitung des Drahtes durch Aufschmelzen, insbesondere in einem Schmelzschweißprozess, beispielsweise mit üblichem Schmelzschweißequipment, kann die unerwünschte Heißrissneigung vermieden oder zumindest weitgehend unterbunden werden. Durch die Abstimmung der Legierungszusammensetzung mit relativ hohen Magnesiumgehalten und insbesondere den Zusatz von Silber kann einerseits die Heißrissneigung beim Schmelzen der Legierung und dem nachfolgenden Erstarren in positiv abnehmender Weise beeinflusst werden und lassen sich andererseits gute mechanische Kennwerte nach einem Wärmebehandlungsprozess erreichen. Es wird in diesem Zusammenhang vermutet, dass Silber die Ausbildung von festigkeitssteigernden Phasen durch Modifikation des Keimbildungsmechanismus beeinflusst. Durch starke Wechselwirkung von Silber mit Leerstellen wird dabei eine Feinung des Gefüges bewirkt, was sich wiederum günstig auf eine hohe Festigkeit auswirkt. Unmittelbar nach einer drahtbasierten additiven Verarbeitung liegen sehr feine Mikroseigerungszonen im erstellten Material vor, die auf Magnesium, Zink, Kupfer und Silber zurückzuführen sind. Während einer nachfolgenden Wärmebehandlung können diese Mikroseigerungszonen aufgelöst und daraus fein verteilte Teilchen abgeschieden werden, was zur gewünschten Härte beiträgt. Somit ist durch die vorgesehene Zusammensetzung der Legierung ein Legierungskonzept gegeben, das für die gewünschte additive Fertigung durch Schmelzen eines Drahtes einer Aluminiumbasislegierung die Herstellung von Objekten mit guten mechanischen Eigenschaften und bei verminderter Heißrissneigung ermöglicht.

[0015] Zink wirkt sich grundsätzlich günstig auf eine hohe Festigkeit aus und ist daher bevorzugt mit einem Mindestgehalt vorgesehen. Ein oberer Schwellwert ergibt sich aus der Verarbeitbarkeit der Aluminiumbasislegierung. Unter diesen Aspekten beträgt ein Gehalt von Zink mit Vorteil 2,5 % bis 5,5 %, bevorzugt 2,75 % bis 4,5 %, insbesondere 3,0 % bis 4,0 %, beispielsweise 3,25 % bis 4,25 %.

[0016] Ähnliche Überlegungen gelten für Magnesium, welches in einer bevorzugten Ausführungsvariante in einem Gehalt von 3,75 % bis 6,0 %, bevorzugt 4,0 % bis 5,5 %, insbesondere 4,15 % bis 5,0 %, vorgesehen sein kann. Wie erwähnt tragen höhere Magnesiumgehalte insbesondere dazu bei, eine Heißrissneigung zu vermindern.

[0017] Mangan wirkt sich auf eine geringe Klebeneigung aus, was für ein Herstellverfahren bis zum fertigen Draht günstig ist, und sorgt für eine Einformung duktilitätsverringernder Phasen und

ist daher mit Vorteil in einem Gehalt von 0,1 % bis 1,0 %, besonders bevorzugt 0,25 % bis 0,75 %, vorgesehen.

[0018] Kupfer kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante in einem Gehalt von 0,05 % bis 0,75 %, bevorzugt 0,1 % bis 0,5 %, insbesondere 0,15 % bis 0,45 %, vorgesehen sein.

[0019] Silber ist in einem Draht aus einer entsprechenden Aluminiumbasislegierung zwingend vorgesehen. Mit Vorteil beträgt der Gehalt an Silber 0,03 % bis 1,0 %, bevorzugt 0,05 % bis 0,85 %, insbesondere 0,075 % bis 0,50 %, beispielsweise 0,10 % bis 0,30 %. Wie bereits erwähnt, ist die Präsenz von Silber im abgestimmten Legierungskonzept besonders hilfreich, um durch Wärmebehandlung hohe Festigkeiten erreichen zu können. Zirconium trägt dazu bei, Ausscheidungen zu bilden und damit einen Härtungsprozess und eine feine Erstarrungsstruktur zu unterstützen. Zirkonium kann in bevorzugten Ausführungsvarianten in Gehalten von 0,03 % bis 0,5 %, bevorzugt 0,05 % bis 0,3 %, insbesondere 0,075 % bis 0,15 %, vorgesehen sein.

[0020] Das weitere Ziel der Erfindung wird erreicht, wenn ein erfindungsgemäßer Draht zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung verwendet wird. Hierdurch kommen die erläuterten Vorteile vollständig zum Tragen.

[0021] Das noch weitere Ziel der Erfindung wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte vorgesehen sind:

a) Erstellen eines Rohobjektes durch additive Fertigung, wobei ein erfindungsgemäßer Draht zur Erstellung des Rohobjektes verarbeitet wird, b) Wärmebehandeln des Rohobjektes, um das Objekt zu erhalten.

[0022] Bei einem entsprechenden Verfahren wird aus einer Aluminiumbasislegierung, die in Form eines Drahtes vorliegt, ein Objekt erstellt. Hierbei wird der Draht geschmolzen. Dabei kann übliches Schmelzschweißequipment eingesetzt werden. Der eingesetzte Draht selbst erfordert keine Wärmebehandlung, allerdings ist das aus dem Draht durch Schmelzschweißen erstellte Rohobjekt erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung zuzuführen, um ein optimales Eigenschaftsprofil zu erzielen. Durch die zuvor erläuterte Einstellung der Zusammensetzung der Legierung für den Draht kann eine Heißrissneigung im Zusammenhang mit dem Schmelzschweißprozess bzw. der additiven Fertigung minimiert werden. Die mechanischen Eigenschaften lassen sich nach dem Schritt der additiven Fertigung des Rohobjektes aus dem Draht durch eine geeignete Wärmebehandlung einstellen.

[0023] Mit Vorteil umfasst das Wärmebehandeln ein Lösungsglühen und eine Warmauslagerung. Warmauslagerung ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass die Warmauslagerung auch aus einzelnen Teilschritten bestehen kann, welche in Zusammenschau betrachtet die Warmauslagerung insgesamt definieren.

[0024] Das Lösungsglühen kann insbesondere bei einer Temperatur von 430 °C bis 500 °C erfolgen. Ein besonders optimierter Temperaturbereich liegt bei etwa 455 °C bis 480 °C.

[0025] Eine Zeitspanne für das Lösungsglühen richtet sich nach der Masse des zu behandelnden Objektes. Zweckmäßig ist es, wenn das Rohobjekt, aus welchem durch die Wärmebehandlung das finale Objekt erstellt wird, beim Lösungsglühen bis zu 60 Minuten auf der Lösungsglühtemperatur von beispielsweise 470 °C gehalten wird.

[0026] Nach dem Lösungsglühen wird das so behandelte Rohobjekt abgeschreckt. Für das Abschrecken kommen übliche Abschreckmedien infrage, insbesondere Wasser, aber auch Öle oder Pressluft.

[0027] Nach der Lösungsglühbehandlung mit dem vorgesehenen Halten bei einer Temperatur und anschließendem Abschrecken erfolgt eine Warmauslagerung. Es hat sich als Vorteil erwiesen, wenn die Warmauslagerung mehrstufig erfolgt, somit in mehreren Teilschritten. Die Teilschritte bilden zusammen betrachtet die Warmauslagerung. Dabei kann die Warmauslagerung bei einer ersten Temperatur für eine erste Zeitdauer und anschließend bei einer zweiten Temperatur für eine zweite Zeitdauer durchgeführt werden, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur und/oder die zweite Zeitdauer länger als die erste Zeitdauer ist. Zwischen den

Warmbehandlungsschritten kann eine Kühlung an Luft erfolgen, was aber nicht zwingend ist. Bei einer entsprechenden Wärmebehandlung, somit auch mit dem vorausgehenden Schritt des L6sungsglühens, werden Mikroseigerungszonen aufgelöst, wohingegen Dispersoide unverändert verbleiben. Letzteres ist von Vorteil, weil die Dispersoide, die sich durch das Lösungsglühen nicht eliminieren lassen, beim Lösungsglühen selbst und im Anschluss bei der Warmauslagerung einem unerwünschten Kornwachstum entgegenwirken. Die Mikroseigerungszonen hingegen lösen sich auf und bilden bei der nachfolgenden Warmauslagerung feine Ausscheidungen, welche die Härte des Materials steigern.

[0028] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen ist, zeigen:

[0029] Fig. 1 eine rückstreuelektronenmikroskopische Aufnahme eines Bereiches eines Rohobjektes;

[0030] Fig. 2 eine rückstreuelektronenmikroskopische Aufnahme eines wärmebehandelten Rohobjektes bzw. Objektes;

[0031] Fig. 3 ein Schaubild zur Härte in Abhängigkeit einer Warmauslagerungsdauer; [0032] Fig. 4 ein Schaubild zu Zugversuchen.

[0033] Es wurde ein Draht aus einer Aluminiumbasislegierung mit der in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung durch additive Fertigung ein Rohobjekt erstellt. Hierfür wurde der Draht mit einem üblichen Schmelzschweißequipment aufgeschmolzen und durch automatisierte Abrasterung das Rohobjekt erstellt.

[0034] Tabelle 1: Drahtzusammensetzung

Element |Al Zn Mg Mn Cu Ag Zr Gew.-% | Rest 3,5 5,5 0,5 0,3 0,2 0,1

[0035] In Fig. 1 ist eine rückstreuelektronenmikroskopische (REM-)Aufnahme des aus dem Draht erstellten Rohobjektes gezeigt. Das Rohobjekt ist ebenso wie der eingesetzte Draht nicht wärmebehandelt. Es ist ersichtlich, dass Mikroseigerungen vorliegen, die sich aus dem Schmelzschweißprozess bzw. dem Abschmelzen des Drahtes und der nachfolgenden Erstarrung ergeben. Des Weiteren sind Dispersoide ersichtlich.

[0036] Ein Rohobjekt, das wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde, wurde anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen. Die Wärmebehandlung bestand aus einem Lösungsglühen bei 470 °C für 30 Minuten. Anschließend wurde das lösungsgeglühte Objekt in Wasser abgeschreckt. Es folgte dann eine Warmauslagerung bei 100 °C für drei Stunden gefolgt von einer Abkühlung an Luft. Danach wurde das Objekt weiter bei 175 °C für neun Stunden ausgelagert.

[0037] Fig. 2 zeigt eine REM-Aufnahme des wie vorstehend beschriebenen wärmebehandelten Objektes. Es ist ersichtlich, dass die Mikroseigerungszonen nicht mehr vorhanden sind. Die entsprechenden Mikroseigerungen wurden während des Lösungsglühens aufgelöst und bilden anschließend die Basis für die Ausscheidung feiner Teilchen und somit eine Verfestigung. Dies ist in Fig. 3 ersichtlich, wonach die Härte durch die abschließenden Warmauslagerungsschritte erheblich gesteigert werden kann.

[0038] Darüber hinaus weist ein entsprechend erstelltes Objekt, also das aus dem Rohobjekt durch Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Warmauslagerung) erstellte Objekt auch eine gute Zugfestigkeit auf, wie dies in Fig. 4 ersichtlich ist. Die entsprechenden Materialkennwerte sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst.

[0039] Tabelle 2: Materialkennwerte eines wärmebehandelten Rohobjektes bzw. Objektes

Wärmebehandeltes Rohobjekt (= Objekt)

Streckgrenze [MPa] 394,1 + 10,3 Bruchzähigkeit [MPa] 468,9 + 16,1 Bruchdehnung [%] 5,1 + 2,7

[0040] Entsprechend hergestellte Objekte weisen neben den wünschenswert guten mechanischen Eigenschaften auch den Vorteil auf, dass eine Heißrissneigung bei der Erstellung der Objekte vermieden oder zumindest verringert ist. Durch eine Erhöhung des Magnesiumgehaltes im Vergleich zu konventionellen 7xxx-Legierungen kommt es zu einer Verringerung der Heißrissneigung. Durch den kombinatorischen Wirkungsbeitrag von Silber, welches durch eine starke Wechselwirkung mit Leerstellen zu einer Feinung der Ausscheidungsstruktur führt, kann wiederum die Festigkeit stark gesteigert werden. Daraus ergibt sich ein Draht mit einer Legierungszusammensetzung, die für eine robuste Verarbeitbarkeit abgestimmt ist und ein hohes Maß für eine nachfolgende Festigungssteigerung eines durch additive Fertigung erstellten Objektes sorgt.

[0041] Wenngleich ein erfindungsgemäßer Draht vorrangig bei einer additiven Fertigung zum Einsatz kommt, kann es auch vorgesehen sein, dass der Draht bei einem Verbindungsschweißen Anwendung findet, wenngleich die vorstehend erläuterten Vorteile insbesondere bei der additiven Fertigung eines Rohobjektes und dessen nachfolgender Wärmebehandlung zur Herstellung eines finalen Objektes zum Tragen kommen.

Claims

Patentansprüche

1. Draht aus einer Aluminiumbasislegierung für die additive Fertigung, aufweisend (in Gew.%): 2,0 % bis 6,0 % Zink 3,5 % bis 7,0 % Magnesium optional bis zu 1,5 % Mangan bis zu 1,75 % Kupfer bis zu 1,5 % Silber optional bis zu 0,45 % Zirconium Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Draht nach Anspruch 1, aufweisend 2,5 % bis 5,5 %, bevorzugt 2,75 % bis 4,5 %, insbesondere 3,0 % bis 4,0 %, beispielsweise 3,25 % bis 4,25 %, Zink.

3. Draht nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend 3,75 % bis 6,0 %, bevorzugt 4,0 % bis 5,5 %, insbesondere 4,15 % bis 5,0 %, Magnesium.

4. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend 0,1 % bis 1,0 %, bevorzugt 0,25 % bis 0,75 %, Mangan.

5. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend 0,05 % bis 0, 75 %, bevorzugt 0,1 % bis 0,5 %, insbesondere 0,15 % bis 0,45 %, Kupfer.

6. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend 0,03 % bis 1,0 %, bevorzugt 0,05 % bis 0,85 %, insbesondere 0,075 % bis 0,50 %, beispielsweise 0,10 % bis 0,30 %, Silber.

7. Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend 0,03 % bis 0,45 %, bevorzugt 0,05 % bis 0,3 %, insbesondere 0,075 % bis 0,15 %, Zirconium.

8. Verwendung eines Drahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung.

9. Verfahren zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung, umfassend folgende Schritte: a) Erstellen eines Rohobjektes durch additive Fertigung, wobei ein Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erstellung des Rohobjektes verarbeitet wird, b) Wärmebehandeln des Rohobjektes, um das Objekt zu erhalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt b) ein Lösungsglühen und eine Warmauslagerung umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Lösungsglühen bei einer Temperatur von 430 °C bis 500 °C erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Lösungsglühen bei der Temperatur für eine Zeitspanne von bis zu 60 Minuten erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Warmauslagerung mehrstufig durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Warmauslagerung bei einer ersten Temperatur für eine erste Zeitdauer und anschließend bei einer zweiten Temperatur für eine zweite Zeitdauer durchgeführt wird, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur und/oder die zweite Zeitdauer länger als die erste Zeitdauer ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen