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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aluminiumlegierungspulver zur Herstellung von Teilen durch ein additives Herstellungsverfahren und eine Methode zur Herstellung eines derartigen Pulvers. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Teils durch additive Herstellung aus diesem Pulver und ein nach diesem Verfahren hergestelltes Teil aus Aluminiumlegierung.
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Die additive Herstellung ist ein Verfahren, das eine schichtweise Konstruktion oder eine Herstellung durch Aufbringen im Gegensatz zum Abtragen von Material wie bei einer konventionellen Bearbeitung. Additive Herstellungsverfahren umfassen in nicht beschränkender Weise die selektive Laserschmelze (FSL), das selektive Lasersintern (SLS) und das Direct Metal Deposition-Verfahren (DMD).
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Die vorliegende Erfindung wird vor allem für die Herstellung von Teilen im Bereich der Luftfahrt angewendet, kann aber ebenfalls im Automobilbereich oder in jedem anderen Bereich Anwendung finden.
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Für derartige Anwendungen ist es bekannt, Titanlegierungen zu verwenden, die gute mechanische Eigenschaften bieten, insbesondere im Hinblick auf Härte, Duktilität und Schwingfestigkeit.
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Aufgrund der Komplexität der Formen der herzustellenden Teile wurde vorgeschlagen, die Teile durch additive Herstellungstechniken zu anzufertigen. Diese Techniken bieten nämlich die Möglichkeit, Teile mit komplexen Formen herzustellen, die mit herkömmlichen Verfahren wie Gießen, Schmieden oder Zerspanen nur schwer oder gar nicht herzustellen sind.
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Ein derartiges Verfahren umfasst beispielsweise beim selektiven Laserschmelzen oder -sintern einen Schritt, bei dem eine erste Pulverschicht der Legierung auf einem Fertigungsträger aufgetragen wird, gefolgt von einem Schritt, der darin besteht, einen vorher festgelegten Bereich der Pulverschicht mit einem Heizmittel (beispielsweise einem Laser oder einem Elektronenstrahl) zu erwärmen. Diese Schritte werden für jede zusätzliche Schicht iterativ wiederholt, bis Schicht für Schicht das endgültige Teil fertig ist.
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Des Weiteren haben die Anforderungen im Hinblick auf Gewicht zur Verwendung von Aluminiumlegierungen geführt, beispielsweise der Legierung AI-8009, oder auch der Legierungen der Serie AI-6000 (Al-Mg-Si), beispielsweise AI-6061.
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Vor allem die Legierungen der Serie AI-6000 werden für Teile verwendet, für die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise über 130 W/m°C, in Kombination mit guten mechanischen Eigenschaften, beispielsweise einem Zug-Elastizitätsmodul über 60 GPa, sowie eine gute Eignung für Anodisieren und Schweißen und eine gute Korrosionsbeständigkeit angestrebt werden.
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Derartige Legierungen umfassen in typischer Weise in Massenanteil bis zu 2 %, im Allgemeinen bis zu 1 %, Silizium, bis zu 1,5 % Magnesium und eventuell ein oder mehrere zusätzliche Elemente, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti ausgewählt sind, wobei der Rest Aluminium und unvermeidliche Verunreinigungen sind. Diese Verunreinigungen umfassen beispielsweise Eisen, dessen Gehalt jedoch unter 1 % bleiben muss.
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Aus den oben genannten Gründen ist es wünschenswert, Teile aus Pulvern dieser Legierungen durch additive Herstellungstechniken herzustellen.
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Aus dem Dokument
EP 2 796 229 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung durch additive Herstellung aus einem Pulver der Legierung Al-8009 bekannt, wonach verschiedene Teiles des Pulvers dieser Legierung nacheinander einem Laserstrahl ausgesetzt und dann abgekühlt werden, um Schicht um Schicht ein Teil zu bilden.
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Die Herstellung eines Teils aus einer Legierung der Serie AI 6000 durch ein additives Herstellungsverfahren erweist sich jedoch als problematisch. Ein aus einer derartigen Legierung durch additive Herstellung hergestelltes Teil weist nämlich hohe Eigenspannungen auf, die Verformungserscheinungen oder sogar Risse entlang der Kornfugen im Teil und an der Schnittstelle zwischen dem Teil und dem Fertigungsträger hervorrufen.
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Derartige Risse können zu einem vorzeitigen Bruch des Teils führen und sind für Porosität innerhalb des Teils verantwortlich, die mit bestimmten Anwendungen nicht vereinbar ist.
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Um die Rissprobleme in einer Aluminiumlegierung zu lösen, ist bekannt, Silizium in einem Gehalt von über 2 % oder Eisen hinzuzufügen. Diese Elemente reduzieren nämlich die Korngröße und sorgen für eine Ausscheidungshärtung des Materials durch die Bildung von MgxSix- oder Fe3Al-Ausscheidungen.
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Jedoch ist die zusätzliche Zugabe von Si und/oder Fe bei einer Legierung der Serie AI 6000 nicht möglich, da die Zugabe dieser Elemente nicht zur Erreichung der gewünschten physikalischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften führt. Insbesondere führt die Zugabe von Si in einem Gehalt von über 2% und/oder von Fe zu einer Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit, der mechanischen Eigenschaften der Legierung, der Anodisierbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit.
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Um das Problem der Rissbildung zu lösen, wurde vorgeschlagen, die aus der additiven Herstellung resultierenden Teile einer heißisostatischen Kompressionsbehandlung oder HIP für „Hot Isostatic Pressing“ auf Englisch zu unterziehen.
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Diese Lösung ist jedoch nicht zufriedenstellend. Insbesondere führt eine derartige Behandlung zu inakzeptablen Maßabweichungen der Teile und erhöht die Herstellungskosten der Teile signifikant.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge darin, ein Aluminiumlegierungspulver und eine Methode zur Herstellung dieses Pulvers bereitzustellen, welche die Herstellung eines rissfreien Teils durch ein additives Herstellungsverfahren bei Beibehaltung guter Eigenschaften, vor allem der Eigenschaften, welche die Legierungen der Serie AI 6000 bieten, insbesondere einer hohen Wärmeleitfähigkeit, erlaubt.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Legierungspulver der Massenzusammensetzung AlcompSiaMgbZrcRd zum Gegenstand, wobei R ein oder mehrere Elemente darstellt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht, und wobei, in Massenanteil: a zwischen 0,2 % und 1 % liegt, b zwischen 0,3 % und 1,7 % liegt, c zwischen 0,4 % und 5 % liegt und d zwischen 0 % und 1 % liegt, wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
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Insbesondere liegt der Gehalt an Zirkonium in Massenanteil in dem Legierungspulver über 1 %.
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Die Erfinder hatten nämlich festgestellt, dass das Rissrisiko insbesondere aus der Korngröße der Legierungen der Serie AI-6000 resultiert, die im Durchschnitt mehrere Hundert Mikrometer erreichen kann. Durch diese große Korngröße werden die Restspannungen zwischen den Körnern erhöht, was das Auftreten von Rissen innerhalb des Teils begünstigen kann.
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Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass die Zugabe von Zirkonium in das Legierungspulver erlaubt, nicht nur die Korngröße des durch additive Herstellung aus einem derartigen Pulver hergestellten Teils zu verringern, sondern auch, dessen mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften beizubehalten.
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Durch Verringerung der Korngröße können die Restspannungen zwischen den Körner verringert und damit die Gefahr des Auftretens von Rissen innerhalb des Teils reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Pulver ist insbesondere zur Herstellung von Teilen aus Aluminiumlegierung durch additive Herstellung durch selektives Schmelzen und insbesondere durch selektives Schmelzen mittels Laser bestimmt. Es weist insbesondere eine Korngröße auf, die für die additive Herstellung durch selektives Schmelzen und genauer durch selektives Laserschmelzen geeignet ist, die es insbesondere erlaubt, die Gefahr des Auftretens von Rissen innerhalb des Teils bei der Verfestigung zu verringern. Das Pulver ist insbesondere mit den mit dem selektiven Schmelzen, insbesondere mittels eines Lasers, verbundenen Abkühlgeschwindigkeiten, kompatibel.
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Gemäß einem anderen Aspekt liegt die Korngröße unter 150 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 100 µm.
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Die Erfindung hat ebenfalls eine Methode zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Legierungspulvers zum Gegenstand, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen eines oder mehrerer Vorläufermaterialien umfassend Aluminium, Silizium, Magnesium und optional ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht,
- - Bereitstellen mindestens eines Zusatzmaterials, das Zirkonium umfasst,
- - Kombinieren der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials, um das Legierungspulver zu bilden.
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Gemäß anderen Aspekten weist die Herstellungsmethode eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:
- - die Vorläufermaterialien werden in Form von mindestens einem Legierungsvorläuferpulver bereitgestellt, das Zusatzmaterial wird in Form eines Pulvers, das Zirkonium umfasst, bereitgestellt und der Kombinationsschritt der Legierungsvorläufermaterialien und des Zusatzmaterials umfasst ein mechanisches Mischen des Legierungsvorläuferpulvers und des Pulvers, das Zirkonium umfasst, unter Bildung eines Legierungspulvers mit einer Korngröße zwischen 1 µm und 150 µm,
- - die Vorläufermaterialien und das Zusatzmaterial werden in Form von festen Stücken bereitgestellt, wobei der Kombinationsschritt der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials ein Zerkleinern der festen Stücke umfasst,
- - der Kombinationsschritt der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials umfasst einen Schmelzschritt eines Gemischs der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials und einen Zerstäubungsschritt unter neutralem Gas des geschmolzenen Gemischs unter Bildung von Pulverpartikeln mit einer Korngröße von unter 150 µm,
- - das Legierungsvorläuferpulver ist ein Pulver der Legierung AI-6061.
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Die Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Teils aus Aluminiumlegierung durch additive Herstellung durch Schmelzen oder Sintern von Pulverpartikeln mittels eines Strahls mit hoher Energiedichte, insbesondere eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte, zum Gegenstand.
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Gemäß anderen Aspekten weist das Herstellungsverfahren ein oder mehrere der folgenden Merkmale auf:
- - das Anwenden auf dem Pulver mindestens einer additiven Herstellungstechnik, ausgewählt aus der Laserprojektionstechnik, der Technik des selektiven Schmelzens mittels Laser, der Technik des selektiven Sinterns mittels Laser und dem EBM (Electron Beam Melting),
- - das Bereitstellen des oben beschriebenen Legierungspulver und das Durchführen der Abfolge der folgenden Schritte (b) bis (d):
- (b) Erwärmen, mittels des Strahls mit hoher Energiedichte, eines Teils des Legierungspulvers,
- (c) Entfernen des Strahls mit hoher Energiedichte von dem Teil des Legierungspulvers,
- (d) Abkühlen des Legierungspulverteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit von größer oder gleich 103°C/s,
- - das Verfahren umfasst ferner, vor dem Schritt (b), einen Schritt (a) des Aufbringens einer Schicht des Legierungspulvers auf einen Träger, und der Schritt (b) des Erwärmens des Legierungspulverteils wird durch Lenken des Strahls mit hoher Energiedichte auf eine Region der aufgebrachten Legierungspulverschicht durchgeführt, die den Legierungspulverteil bildet,
- - das Abkühlen des Legierungspulverteils ergibt sich folglich aus dem Schritt (c) des Entfernens des Laserstrahls,
- - die Schritte (b) bis (d) werden in einem beheizten geschlossenen Behältnis oder in einem geschlossenen Behältnis unter Schutzatmosphäre eines Inertgases, insbesondere von Argon, durchgeführt, wobei der Massenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre unter 5000 ppm beträgt,
- - der Schritt des Bereitstellens des Legierungspulvers umfasst die Durchführung der oben beschriebenen Herstellungsmethode.
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Die Erfindung hat ebenfalls ein Teil aus Aluminiumlegierung zum Gegenstand, das durch ein wie oben beschriebenes Herstellungsverfahren erhalten wird, wobei die Legierung die folgende Massenzusammensetzung hat: AlcompSiaMgbZrcRd, wobei R ein oder mehrere Elemente darstellt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht, und wobei, in Massenanteil: a zwischen 0,2 % und 1 % liegt, b zwischen 0,3 % und 1,7 % liegt, c zwischen 0,4 % und 5 % liegt und d zwischen 0 % und 1 % in Massenanteil liegt, wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
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Insbesondere umfasst die Legierung einen Gehalt an Zirkonium in Massenanteil von über 1 %.
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Gemäß einem anderen Aspekt hat das Teil eine Struktur gleichachsiger Körner, wobei die Körner eine durchschnittliche Größe von unter 50 µm haben.
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Die Erfindung wird besser anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung verständlich, die jetzt unter Bezugnahme auf die einzige Figur in der Anlage beschrieben werden, welche schematisch eine Zerstäubungsvorrichtung für die Durchführung der Herstellungsmethode des Legierungspulvers gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
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Das erfindungsgemäße Aluminiumlegierungspulver hat die folgende Massenzusammensetzung:
AlcompSiaMgbZrcRd wobei R mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht,
- a zwischen 0,2 % und 1 % in Massenanteil liegt,
- b zwischen 0,3 % und 1,7 % in Massenanteil liegt,
- c zwischen 0,4 % und 5 % in Massenanteil liegt,
- und d zwischen 0 % und 1 % in Massenanteil liegt,
wobei der Rest (comp) aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
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Durch Zugabe von Silizium wird die Schmelztemperatur der Legierung reduziert und deren Fluidität verbessert. Ferner ermöglicht die kombinierte Zugabe von Magnesium und von Silizium die Bildung von MgxSi-Komponenten, die zur Ausscheidungshärtung des Materials beitragen.
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Zu diesem Zweck muss der Gehalt an Silizium über 0,2 % und der Gehalt an Magnesium über 0,3 % liegen.
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Jedoch verschlechtert sich die Wärmeleitfähigkeit der Legierung bei einem Siliziumgehalt über 1%. Deshalb muss der Massengehalt an Si kleiner als 1%, und vorzugsweise kleiner als 0,8%, sein.
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Der Massengehalt an Mg ist auf 1,7 % beschränkt, beispielsweise kleiner oder gleich 1,5 %, insbesondere kleiner oder gleich 1,2 %, um die Bildung von härtenden Ausscheidungen zu fördern.
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Der Massengehalt an Mg liegt beispielsweise zwischen 0,8 % und 1,2 %.
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Optional umfasst die Zusammensetzung des Legierungspulvers ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht, wobei der Gesamtgehalt an diesen Elementen kleiner als 1 % ist.
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Insbesondere können Mangan und Chrom zugesetzt werden, um die schädliche Wirkung des Eisens als Unreinheit auf die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere auf die Lochfraßkorrosionsbeständigkeit, zu neutralisieren.
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Kupfer und Zink verbessern, wenn sie vorhanden sind, die mechanischen Eigenschaften der aus dem Pulver gebildeten Legierung.
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Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Legierungspulvers umfasst ferner 0,3 bis 5 Gew.-% Zirkonium.
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Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass das Hinzufügen von Zirkonium in die Zusammensetzung des Pulvers bewirkt, dass die Korngröße in dem durch additive Herstellung gebildeten Teil reduziert wird, wodurch die Rissbildung während der Verfestigung reduziert wird.
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Vor allem haben die Erfinder herausgefunden, dass das Zirkonium aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit der kubischen flächenzentrierten Aluminiummatrix (kfz) und der Ähnlichkeit ihres Gitter-Parameters mit der kfz-Matrix wie Nuklide wirkt. Durch die Zugabe von Zirkonium ist es demzufolge möglich, die Anzahl der Körner der Aluminiummatrix zu erhöhen und somit deren Größe signifikant zu reduzieren.
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Durch die Zugabe von Zirkonium ist es ferner möglich, die Isotropie der Legierung zu erhöhen, da die Ausrichtung der Körner nicht mehr gemäß der Ebene {001} in Kühlrichtung texturiert ist, sowie die Bildung von Al-Zr-Partikeln, welche als härtende Ausfällungen wirken.
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Durch diese hohe Isotropie und das Vorhandensein von Al-Zr-Partikeln werden die mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessert, insbesondere ihre mechanische Festigkeit und ihre Duktilität.
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Um diese Wirkung zu erzielen, ist ein Massengehalt von mindestens 0,4 % TiB2 notwendig. Über 5 % ist die Legierung aufgrund der geringen Löslichkeit des TiB2 im Aluminium bei üblicher Zerstäubungstemperatur potentiell nicht zerstäubbar.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Massengehalt an Zr über 0,5 %, sogar über 1 %.
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Der Rest der Pulverzusammensetzung besteht aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Die Verunreinigungen umfassen beispielsweise bis zu 1 Gew.-% Eisen, vorzugsweise höchstens 0,70 %.
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Das erfindungsgemäße Legierungspulver entspricht beispielsweise einem Legierungspulver der Familie AI 6000, beispielsweise der Legierung AI 6061, dem Zirkonium in einem Massenverhältnis zugesetzt wurde, das erlaubt, die vorgenannte Legierungspulverzusammensetzung zu erhalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Legierungspulver die folgende Massenzusammensetzung:
AlcompSiaMgbZrcCud1Crd2Mnd3Znd4 in welcher, in Massenanteil:
- a zwischen 0,4 % und 0,8 % liegt,
- b zwischen 0,8 % und 1,2 % liegt,
- c zwischen 0,4 % und 5 % liegt,
- d1 zwischen 0,15 % und 0,40 % liegt,
- d2 zwischen 0,04 % und 0,35 % liegt,
- d3 kleiner oder gleich 0,15 % ist, und
- d4 kleiner oder gleich 0,15 % ist,
mit d1+d2+d3+d4 ≤ 1 %,
wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Verunreinigungen beispielsweise bis zu 0,70 % Eisen umfassen.
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Vorzugsweise hat das Legierungspulver eine Korngröße von unter 150 µm, beispielsweise von unter 100 µm, und liegt im Allgemeinen über dem Mikrometer.
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Das erfindungsgemäße Aluminiumlegierungspulver wird beispielsweise aus einem oder mehreren Vorläufermaterialien hergestellt, umfassend Aluminium, Magnesium, Silizium und optional mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die von Mn, Cr, Cu, Zn und Ti gebildet ist, und einem Zusatzmaterial, das Zirkonium umfasst.
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Das Verfahren zur Herstellung des Legierungspulvers umfasst damit:
- - einen Bereitstellungsschritt des oder der Vorläufermaterials/-materialien,
- - einen Bereitstellungsschritt des Zusatzmaterials, und
- - einen Kombinationsschritt des oder der Vorläufermaterial/-materialien mit dem Zusatzmaterial, um das Legierungspulver zu bilden.
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Die Gehalte der verschiedenen Elemente der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials werden in Abhängigkeit von der endgültigen Zusammensetzung des gewünschten Legierungspulvers unter Berücksichtigung des Verdünnungseffekts im Ergebnis der Mischung zwischen den Materialien ausgewählt.
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Das oder die Vorläufermaterial/-materialien wird/werden beispielsweise in Form eines oder mehrerer Pulver(s) bereitgestellt, das/die nachfolgend Legierungsvorläuferpulver genannt wird/werden.
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Das Zusatzmaterials wird beispielsweise in Form eines Pulvers bereitgestellt, das Zirkonium umfasst, nachfolgend als Zirkoniumpulver bezeichnet.
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In einer Variante werden die Vorläufermaterialien und das Zusatzmaterial in Form von festen Stücken bereitgestellt, die dann zu Pulvern zerkleinert werden.
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Das Verfahren zur Herstellung des Legierungspulvers umfasst damit:
- - einen Bereitstellungsschritt des oder der Legierungsvorläuferpulver(s), umfassend Aluminium, Magnesium, Silizium und optional mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht,
- - einen Bereitstellungsschritt des Zirkoniumpulvers, und
- - einen Kombinationsschritt des oder der Vorläuferlegierungsvorläuferpulver(s) mit dem Zirkoniumpulver, um das Legierungspulver zu bilden.
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Die Gehalte der verschiedenen Elemente des Vorläuferpulvers werden in Abhängigkeit von der endgültigen Zusammensetzung des gewünschten Legierungspulvers ausgewählt.
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Das Vorläuferpulver hat beispielsweise die folgende Massenzusammensetzung:
AlcompSia'Mgb'Rd' wobei R mindestens ein Element darstellt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mn, Cr, Cu, Zn und Ti besteht,
und in welcher, in Massenanteil:
- a' zwischen 0,2 % und 1,1 % liegt,
- b' zwischen 0,3 % und 1,8 % liegt,
- und d' zwischen 0 % und 1 % liegt,
wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
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Das Vorläuferpulver ist im Allgemeinen ein Legierungspulver der Serie AI 6000, beispielsweise ein Pulver der Legierung AI-6061 mit folgender Massenzusammensetzung:
AlcompSiaMgbCud1Crd2Mnd3Znd4 in welcher, in Massenanteil:
- a zwischen 0,4 % und 0,8 % liegt,
- b zwischen 0,8 % und 1,2 % liegt,
- d1 zwischen 0,15 % und 0,40 % liegt,
- d2 zwischen 0,04 % und 0,35 % liegt,
- d3 kleiner oder gleich 0,15 % ist, und
- d4 kleiner oder gleich 0,15 % ist,
mit d1+d2+d3+d4 kleiner oder gleich 1 %,
wobei der Rest aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei die Verunreinigungen beispielsweise bis zu 0,70 % Eisen umfassen.
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Das Zirkoniumpulver besteht beispielsweise aus Zirkonium.
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In einer Variante besteht das Zirkoniumpulver aus einem Gemisch aus Aluminium und aus Zirkonium.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform werden das oder die Legierungsvorläuferpulver und das Zirkoniumpulver durch mechanisches Mischen derart kombiniert, dass ein homogenes Legierungspulver mit einer Korngröße zwischen 1 µm und 100 µm entsteht. Das mechanische Mischen wird beispielsweise durch Zerkleinern und Mischen durchgeführt.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden die Vorläufer- und Zusatzmaterialien in einem Tiegel kombiniert und dann unter neutralem Gas zerstäubt.
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Bei dieser Ausführungsform werden die Vorläufer- und Zusatzmaterialien beispielsweise in Form von Pulver oder vorlegierten Stäben zugeführt.
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Bei dieser Ausführungsform umfasst der Kombinationsschritt der Vorläufer- und Zusatzmaterialien beispielsweise:
- - Schmelzen des Gemischs der Vorläufermaterialien und des Zusatzmaterials, bis ein im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung homogenes Bad erreicht wird,
- - Zerstäuben des geschmolzenen Gemischs in Form von Pulverpartikeln mit einer Korngröße von unter 150 µm unter neutralem Gas. Bei diesem Zerstäuben wird das geschmolzene Gemisch mittels eines Hochdruck-Gasstrahls in feine Tröpfen gesprüht. Die Tröpfchen verfestigen sich dann in Form von Pulverpartikeln.
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Der Gasstrahl ist beispielsweise ein neutraler Gasstrahl, beispielsweise Stickstoff, Helium, Argon oder ein Gemisch dieser Gase.
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Ein Beispiel für eine Gaszerstäubungsvorrichtung 1 ist auf der 1 dargestellt.
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Diese Vorrichtung umfasst eine Schmelzkammer oder Autoklav 3, in welche die Legierungselemente eingebracht werden, die dort geschmolzen werden, um ein geschmolzenes Gemisch unter einer Decke aus Luft oder Inertgas oder auch im Vakuum zu erzeugen.
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Die Zerstäubungsvorrichtung weist ferner eine Zerstäubungskammer 5, eine Zerstäubungsdüse 7 und eine Gasquelle 9 auf.
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Die Zerstäubungsdüse 7 ist dazu geeignet, das geschmolzene Gemisch aus der Schmelzkammer 3 mittels eines von der Gasquelle 9 bereitgestellten Hochdruck-Gasstrahl in Form von kleinen Tröpfchen in die Zerstäubungskammer 5 zu sprühen.
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Die Zerstäubungskammer 5 umfasst in ihrem unteren Teil eine Sammelkammer 11, in der die aus der Verfestigung dieser Tröpfchen resultierenden Pulverpartikel gesammelt werden.
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Die Gasquelle 9 ist mit einer Pumpe ausgestattet, die dazu geeignet ist, das in die Kammer eingeleitete Gas zu sammeln, um es über die Zerstäubungsdüse 7 erneut einzuleiten.
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Die Zerstäubungskammer 5 umfasst ferner eine Nebensammelkammer 13, welche dazu dient, die von der Pumpe während des Gassammelns mitgerissenen Pulverpartikel zu sammeln.
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Das erfindungsgemäße Legierungspulver wird für die Herstellung von Teilen durch additive Herstellung, durch Schmelzen oder Sintern von Partikeln des Legierungspulvers mittels eines Hochenergiestrahls verwendet.
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Der Hochenergiestrahl ist beispielsweise ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte, der beispielsweise eine spezifische Leistung von ca. 105 W/cm2 entwickelt.
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Das additive Herstellungsverfahren setzt beispielsweise eine selektive Laserschmelz- oder Lasersintertechnik auf einem Pulverbett oder eine Laserprojektionstechnik um.
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Die Durchführung des Herstellungsverfahrens gemäß diesen Techniken umfasst in allen Fällen einen Bereitstellungsschritt des Legierungspulvers und die Durchführung der folgenden aufeinanderfolgenden Schritte (b) bis (d):
- (b) Erwärmen eines Teils des Pulvers auf eine Temperatur, die höher oder niedriger als die Schmelztemperatur des Legierungspulvers sein kann, mittels des Strahls mit hoher Energiedichte,
- (c) Entfernen des Strahls mit hoher Energiedichte von dem Teil des Legierungspulvers,
- (d) Abkühlen des Legierungspulverteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit von größer oder gleich 104°C/s.
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Das Abkühlen bei Schritt (d) der Region des Legierungspulvers erfolgt beispielsweise infolge des Entfernens bei Schritt (c) des Strahls mit hoher Energiedichte.
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Während Schritt (d) verfestigt sich der erwärmte Teil des Pulvers, um so eine Schicht des Teils zu bilden.
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Ferner ist die Struktur der Legierung, die nach dem Abkühlen gebildet wird, eine Struktur nicht texturierter gleichachsiger Körner, gebildet aus kleinen Körnern in Mikrongröße bzw. Submikrongröße, insbesondere mit einer durchschnittlichen Größe von unter 50 µm, ja sogar unter dem Mikrometer.
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Die Schritte (b) bis (d) können iterativ erneut durchgeführt werden, um aufeinanderfolgende oder benachbarte Schichten des Teils zu bilden.
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Das selektive Schmelzen durch Laser oder SLM für „Selective Laser Melting“ auf Englisch ist eine additive Herstellungstechnik, welche die Produktion von Teilen aus einem Legierungspulver durch selektives, das heißt lokales, Schmelzen einer Region einer auf einem Träger aufgebrachten Legierungspulverschicht erlaubt.
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Die Technik des selektiven Sinterns mittels Laser oder SLS für „Selective Laser Sintering“ auf Englisch unterscheidet sich von der Technik des selektiven Schmelzens mittels Laser im Wesentlichen dadurch, dass die Region der Legierungspulverschicht nicht auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur gebracht wird, sondern gesintert.
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Die Durchführung des Herstellungsverfahrens durch Sintern oder selektives Schmelzen mittels Laser umfasst ferner vor dem Schritt (b) oder vor jedem Schritt (b) einen Schritt (a) des Aufbringens einer Schicht des Legierungspulvers auf einen Träger.
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Der Träger ist beispielsweise eine Herstellungsplattform oder eine Schicht des Teils von zuvor aufgebrachtem oder aufgesprühtem Pulver.
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Bei Schritt (a) wird die Legierungspulverschicht somit beispielsweise auf die Herstellungsplattform oder auf eine Schicht des Teils aufgebracht, die zuvor durch Durchführung der Schritte (a) bis (d) hergestellt wurde.
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Bei Schritt (b) wird der Laserstrahl auf eine Region der aufgebrachten Pulverschicht gerichtet. Der in Bezug auf die Schritte (b) und (d) erwähnte Pulverteil entspricht demzufolge der Pulverschicht, auf die der Laserstrahl gerichtet wird.
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Bei der Technik des selektiven Schmelzens mittels Laser bei Schritt (b) wird die Region der Legierungspulverschicht auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur dieses Legierungspulvers gebracht, um eine geschmolzene Region zu bilden.
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Bei der Technik des selektiven Sinterns mittels Laser bei Schritt (b) wird die Region der Legierungspulverschicht nicht auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur gebracht, sondern gesintert.
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Die Form der Region, auf die der Laserstrahl gerichtet wird, die nicht notwendigerweise konvex ist, entspricht einer Schicht des hergestellten Teils.
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Nur diese Region wird selektiv von dem Laserstrahl erwärmt. Die bei Schritt (a) aufgebrachte Pulverschicht umfasst somit eine geschmolzene oder gesinterte Region und eine oder mehrere nicht geschmolzene und nicht gesinterte Pulverregionen.
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Während Schritt (d) verfestigt sich die geschmolzene oder gesinterte Region, um somit eine Schicht des Teils zu bilden.
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Die Schritt (a) bis (d) können iterativ erneut durchgeführt werden, um aufeinanderfolgende oder benachbarte Schichten des Teils zu bilden.
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Beispielsweise kann bei jedem Schritt (a) jede neue Pulverschicht auf die bei der vorangegangenen Iteration aufgebrachte Pulverschicht oder von dieser vorangegangenen Schicht beabstandet aufgebracht werden.
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Der Pulverüberschuss, der den nicht geschmolzenen Abschnitten der Pulverschicht entspricht, kann dann zurückgewonnen werden, entweder nach Beendigung des Herstellungsverfahrens oder nach Abschluss jeder Schrittfolge (a) bis (d) oder auch nach Abschluss einiger der Schrittfolgen (a) bis (d).
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Die Laserprojektionstechnik oder DMD für „Direct Metal Deposition“ auf Englisch besteht darin, einen energetisch hochdichten Laserstrahl auf ein Substrat zu richten, währenddessen Pulver mit einer Düse koaxial zum Laserstrahl gesprüht wird. Das Pulver wird von dem Laserstrahl während seines Transports bis zum Substrat erwärmt und lagert sich in Form von geschmolzenem Pulver auf diesem Substrat ab. Die Geometrie des Teils wird zum einen durch Verlagern des Substrats in einer Ebene und zum anderen des Laserstrahls orthogonal zu dieser Ebene erhalten. Das Teil wird damit Schicht für Schicht auf der Basis der Daten für die Konzipierung dieses Teils hergestellt.
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Somit wird der Legierungspulverteil bei Schritt (b) gleichzeitig erwärmt und auf den Träger gesprüht.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird vorzugsweise in einem geschlossenen Behältnis, d. h. von der Außenumgebung isoliert, durchgeführt.
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Insbesondere wird das Herstellungsverfahren vorzugsweise in einem geschlossenen Behältnis unter Schutzatmosphäre eines Inertgases durchgeführt, wobei der Massenanteil von Sauerstoff in der Atmosphäre unter 5000 ppm liegt. Diese Schutzatmosphäre verhindert die Kontaminierung des Teils, insbesondere durch Sauerstoff, der zu einer Oxidation während der Herstellung führen kann.
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Das Inertgas ist beispielsweise Argon, Stickstoff, Helium oder ein anderes neutrales Gas oder ein Gemisch dieser Gase.
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Das Behältnis und/oder der Fertigungsträger können erwärmt werden, um die Restspannungen in dem Teil und die Deformationen des Teils beim Abkühlen zu begrenzen.
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Das mittels eines derartigen Herstellungsverfahrens produzierte Teil hat eine Zusammensetzung, die der des verwendeten Legierungspulvers entspricht.
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Ferner ist die Struktur der Legierung eine Struktur nicht texturierter gleichachsiger Körner, gebildet aus kleinen Körnern in Mikrongröße bzw. Submikrongröße.
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Folglich sind die Restspannungen in dem Teil stark verringert, im Vergleich mit einem Teil, das aus einer ähnlichen Legierung, aber ohne Zr, hergestellt werden würde. Das Teil ist damit rissfrei und weist damit ein stark verringertes vorzeitiges Bruchrisiko auf.
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Ferner umfasst die Struktur des Teils Al-Zr-Partikel, die wie härtende Ausscheidungen wirken.
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Das somit erhaltene Teil hat in typischer Weise eine Wärmeleitfähigkeit über 130 W/m°C.
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Das erfindungsgemäße Legierungspulver erlaubt damit die Herstellung, mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, eines rissfreien Teils bei Beibehaltung guter Eigenschaften, vor allem der Eigenschaften, welche die Legierungen der Serie AI 6000 bieten, insbesondere einer hohen Wärmeleitfähigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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