DE102020108781A1

DE102020108781A1 - Mittels additiver Fertigung verarbeitbare hochfeste Aluminiumlegierungen für Strukturanwendungen

Info

Publication number: DE102020108781A1
Application number: DE102020108781.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Härtel
Original assignee: AM Metals GmbH
Current assignee: AM Metals GmbH
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JP2023525209A; WO2021198231A1; CN115427173A; EP4126422A1; US20230135943A1; JP7562695B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft pulverförmige Aluminiumlegierungen mit Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestem Legierungselement, die Legierung weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide, und Li aufweist. Derartige Aluminiumlegierungen können in additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen zur Herstellung von hochfesten und Heißriss-freien dreidimensionalen Objekten verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus solchen Aluminiumlegierungen, Verfahren zur Herstellung solcher pulverförmigen Aluminiumlegierungen, dreidimensionale Objekte, die auch solchen pulverförmigen Aluminiumlegierungen hergestellt sind, und spezifische Aluminiumlegierungen.

Description

Die Erfindung betrifft spezielle pulverförmige Aluminiumlegierungen mit Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestem Legierungselement, die einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide, und Li aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung solcher Aluminiumlegierungen, Verfahren und Vorrichtungen zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten, sowie gemäß diesen Verfahren hergestellte dreidimensionale Objekte und spezielle Aluminiumlegierungen.
Stand der Technik
Leichtmetallkomponenten sind bei der Herstellung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, Gegenstand intensiver Forschung, die auf eine fortlaufende Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Kraftstoffeffizienz der Fahrzeuge abzielt. Viele Leichtmetallkomponenten für Automobilanwendungen sind heute aus Aluminium und/oder Magnesiumlegierungen gefertigt. Solche Leichtmetalle können Last-tragende Komponenten bilden, die stark und steif sein müssen und eine gute Festigkeit und Dehnbarkeit (z.B. Dehnung) aufweisen müssen. Hohe Festigkeit und Dehnbarkeit sind besonders wichtig für Sicherheitsanforderungen und Robustheit in Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen. Während konventioneller Stahl und Titanlegierungen hohe Temperaturfestigkeit bereitstellen, sind diese Legierungen jeweils entweder schwer oder vergleichsweise teuer.
Eine kostengünstige Alternative von Leichtmetalllegierungen zum Bilden von Strukturbauteilen in Fahrzeugen sind Legierungen auf Basis von Aluminium. Solche Legierungen können konventionell durch Bulkbildungsverfahren, wie Extrusion, Walzen, Schmieden, Stanzen, oder Gusstechniken, wie Druckgießen, Sandgießen, Investmentgießen (Feingießen), Kokillengießen und dergleichen, zu den gewünschten Bauteilen verarbeitet werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits hochfeste Aluminiumlegierungen mit ausreichend plastischer Dehnung zur Energieaufnahme hauptsächlich aus dem Bereich der Knetlegierungen bekannt. Dabei sind vor allem Werkstoffe aus den Aluminium 2000er, 6000er und 7000er Serien als geeignet zu nennen. Diese Materialien zeichnen sich durch ihren vergleichsweise weichen duktilen Aggregatzustand aus, der die Formgebung ermöglicht. Mit Hilfe der durch Massivumformung eingebrachten Energie, und anschließender Wärmebehandlung werden die Legierungen in den hochfesten und voll ausgehärteten Zustand überführt.
In den letzten Jahren hat das „rapid prototyping“ oder „rapid tooling“ auch in der Metallverarbeitung an Bedeutung gewonnen. Diese Verfahren sind auch als selektives Lasersintern und selektives Laserschmelzen bekannt. Dabei wird eine dünne Schicht eines Materials in Pulverform wiederholt aufgebracht und das Material wird in jeder Schicht selektiv in den Bereichen, in denen sich das spätere Produkt befindet, durch Belichtung mit einem Laserstrahl verfestigt, indem das Material zunächst an vorgegebenen Positionen aufgeschmolzen wird und dann erstarrt. So kann sukzessive ein vollständiger dreidimensionaler Körper aufgebaut werden.
Ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist zum Beispiel in der EP 1 762 122 A1 offenbart.
Für eine Verarbeitung mittel selektivem Lasersintern oder Laserschmelzen ist eine Legierung erforderlich, deren Ausscheidungsmechanismus ohne vorangehende Kaltumformung funktioniert. Entsprechende Legierungen sind insbesondere aus dem Bereich der 2000er Legierungen (d.h. von Aluminium-Kupfer-Legierungen) bekannt. Bei diesen stellt jedoch das verhältnismäßig große Schmelzintervall ein Problem dar, da es infolge des raschen Erstarrens durch niedrigschmelzende Eutektika, die die Schrumpfspannungen bei Erstarren der Strukturen nicht unbeeinträchtigt überstehen, zu Heißrissen in den Strukturen kommen kann. Bei einer Verarbeitung mittels selektivem Lasersintern werden damit in der Regel nur mikrorissige Gefüge erhalten, so dass konventionelle, hochfeste Aluminium-Knetlegierungen sind bisher mittels additiver Fertigung nicht verarbeitbar sind.
Andere verfügbare Aluminiumlegierungen, die bereits für eine Verarbeitung mittels additiver Fertigungstechniken etabliert sind (wie z.B. solche aus der AISi-Legierungsfamilie), weisen nicht die wünschenswerte Eigenschaftskombination von hoher Streckgrenze und Bruchdehnung auf, oder sind aufgrund von sehr Kostenintensiven und seltenen Legierungselementen von Nachteil.
Ein Beispiel für eine Aluminiumlegierung mit seltenen Legierungselementen ist in z.B. der EP 3 181 711 A1 beschrieben, in der das Aluminium mit verhältnismäßig großen Mengen an Sc (0,6 bis 3 Gew.-%) legiert wird. In den so hergestellten Legierungen wirken intermetallische Al-Sc Phasen stark festigkeitssteigernd, so dass Streckgrenzen von > 400 MPa erreicht werden. Neben dem verhältnismäßig kostenintensiven Metall Sc, das für die Legierung benötigt wird, ist es allerdings nachteilig, dass die in der EP 3 181 711 A1 beschriebenen Legierungen nicht für Einsatztemperaturen von > 180°C geeignet sind, da die AlMg Matrix zum Entfestigen und Kriechen neigt.
Ein weiterer Ansatz für Legierungen zum Einsatz in der additiven Fertigung sind AI-MMC (MMC = Matrix Metal Composite) Konzepte, die bei Raumtemperatur mit AlMgSc-Legierungen vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Problematisch bei diesen Materialien ist aber, dass sie bei Temperaturen oberhalb von 200°C einen signifikanten Festigkeitsabfall zeigen. Ein weiteres Problem der AI-MMC Konzepte besteht darin, dass der Werkstoff aus einer Pulvermischung von drei Komponenten besteht, was das Transportieren, Lagern und Wiederverwenden erschwert, da eine Veränderung des Mischungsverhältnisses durch die physikalischen Vorgänge nicht ausgeschlossen werden kann. Nachteilig ist darüber hinaus das negative Recyclingverhalten der MMC Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe und der Umstand, dass die mechanische Nachbearbeitung von AI-MMC schwieriger und mit höheren Kosten verbunden ist.
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik besteht ein Bedarf nach einer möglichst kostengünstigen Aluminiumlegierung, die thermisch stabil ist und hochfeste Eigenschaften aufweist, und die sich mit Hilfe von additiven Fertigungstechniken wie z.B. selektivem Lasersintern und selektivem Laserschmelzen zu dreidimensionalen Objekten mit hohen Festigkeiten und Steifigkeiten und günstigen Korrosionseigenschaften verarbeiten lässt. Dabei sollten möglichst am Markt knappe Seltenerdmetalle wie Scandium vermieden werden, um eine hohe Liefersicherheit zu gewährleisten. Es besteht weiterhin ein Bedarf nach einem additiven Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten und nach diesen Verfahren hergestellten hochfesten dreidimensionalen Objekten.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine pulverförmige Aluminiumlegierung, wie sie durch Anspruch 1 angegeben ist, durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 9, durch ein Verfahren zur Herstellung der pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 8, durch ein dreidimensionales Objekt, das unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung wie in Anspruch 1 angegeben hergestellt ist, gemäß Anspruch 11, durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 14, und durch eine Aluminiumlegierung, wie sie in Anspruch 15 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung ist ein Pulver zur Verwendung in der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mit Hilfe von additiven Fertigungstechniken. Die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung enthält Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestes Legierungselement und weist weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide, und Li auf.
Die Angabe „Aluminiumlegierung“ ist im Rahmen dieser Beschreibung so aufzufassen, dass die Legierung Aluminium als wesentlichstes Metallelement enthält und dessen Anteil an der Aluminiumlegierung mehr als 60 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 70 Gew.-% und noch weiter bevorzugt mehr als 80 Gew.% ausmacht. Die Angabe „Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestes Legierungselement“ ist so aufzufassen, dass der Anteil von Cu, Zn oder Si/Mg größer ist, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung, wobei Si/Mg den Gesamtinhalt an Si und Mg in der Legierung bezeichnet (in diesem Fall ist die Summe der Anteile an Si und Mg größer, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung). Das „relevanteste Legierungselement“ bezieht sich auf die Aluminiumlegierung als solches, d.h. ohne Berücksichtigung der in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltenen zusätzlichen Metalle aus der Gruppe M1, bevorzugt ist es jedoch, wenn der Anteil von Cu oder Zn größer ist, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung unter Einschluss der Metalle der Gruppe M1.
Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bewusst, dass AlCu-Legierungen (d.h. Legierungen, in denen Cu als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 2000er Gruppe, AlZn-Legierungen (d.h. Legierungen, in denen Zn als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 7000er Gruppe und AlSi/Mg-Legierungen (d.h. Legierungen, in denen „Si/Mg“ als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 6000er Gruppe (jeweils gemäß dem International Alloy Designation System) bezeichnet werden. Für eine Übersicht über unter diese Kategorie fallende Aluminiumlegierungen kann beispielsweise auf https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium alloy#Alloy designations verwiesen werden.
Durch die Beimischung von Metallen aus der Gruppe M1 wird eine Herstellung von im Wesentlichen oder sogar vollständig rissfreien dreidimensionalen Körpern mittels additiver Fertigungstechniken wie selektivem Lasersintern oder selektivem Laserschmelzen ermöglicht, obwohl relativ große Mengen an Übergangsmetallen zugesetzt werden. Dies ist überraschend, da es bei konventionellen Aluminium-Verarbeitungstechnologien in der Regel nicht möglich ist, den Legierungsgehalt dieser Übergangsmetalle über eine definierte Grenze (z.B. im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-%) zu erhöhen, da eine solche Erhöhung zu einer stark abnehmenden Duktilität und damit zu einer nicht mehr gegebenen Verarbeitbarkeit führt, die nur die Herstellung von sehr groben Gefügebestandteilen ermöglicht. Bei der hier beschriebenen Herstellung von dreidimensionalen Körpern und Objekten über additive Fertigungstechniken wird dieses Problem umgangen, weil die Formgebung keine überdurchschnittliche Duktilität des Materials erfordert, so dass verfahrensbedingt auch sehr feine und nanoskalige Gefüge hergestellt werden können.
Als bevorzugter Anteil für Metalle aus der Gruppe M1 kann ein Anteil von mindestens 1,3 Gew.-%, bevorzugt 2,0 Gew.-% bis zu 8,0 Gew.-%, und weiter bevorzugt 2,5 Gew.-% bis zu 5,0 Gew.-% angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich dazu besteht das Metall oder die Metalle ausgewählt aus der Gruppe M1 nicht zu substanziellen Anteilen aus Lanthaniden, derer Beschaffung kostenintensiv sein kann, wobei der Anteil an Lanthaniden, bezogen auf die Gesamtmenge der Metalle aus der Gruppe M1 bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, weiter bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, und noch weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, beträgt. Bevorzugte Metalle aus der Gruppe M1 sind leicht zu beschaffende und Preisgünstige Metalle wie Cr, Zr, Fe, Ti, und Li, wobei Zr und/oder Ti als besonders geeignet angegeben werden können.
Eine im Rahmen dieser Beschreibung besonders geeignete pulverförmige Aluminiumlegierung ist eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag. Für diese Legierung ist es weiterhin bevorzugt, wenn unter Berücksichtigung dieser Elemente und der Elemente aus der Gruppe M1 der zu 98 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung, bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt. Der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung wird in diesem Fall in der Regel durch andere Metalle und/oder Nichtmetalle wie z.B. Sauerstoff bereitgestellt, die jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung mehr haben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die vorbeschriebene erfindungsgemäße Aluminiumlegierung einen Gehalt von mindestens 4,5 Gew.-% und/oder höchstens 5,8 Gew.-%, bevorzugt mindestens 4,8 Gew.-% und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Cu, mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 1,5 Gew.%, bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% und/oder höchstens 1,2 Gew.-% Mg, und mindestens 0,05 Gew.-% und/oder höchstens 0,6 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 0,4 Gew.-% Ag auf. Alternativ oder zusätzlich dazu enthält die vorbeschriebene erfindungsgemäße Aluminiumlegierung vorzugsweise bis zu 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,15 Gew.-% Sauerstoff, bis zu 0,6 Gew.-%, und insbesondere 0,2 bis 0,55 Gew.-% Mangan und bis zu 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Silizium.
Für die vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierungen wurde gefunden, dass in daraus durch additive Fertigung hergestellten Produkten durch Wärmebehandlung gewünschte mechanische Kennwerte eingestellt werden können. Durch die Auswahl der Legierungselemente kann zudem das elektrochemische Ruhepotential der Matrix im Vergleich zu den Ausscheidungen in Richtung edlerer Werte verschoben werden, um so eine höhere Korrosionsbeständigkeit und eine deutlich verminderte Anfälligkeit der Legierungen gegenüber Spannungsrissen realisiert werden kann.
Hinsichtlich der Partikelgröße unterliegen die erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen keinen wesentlichen Beschränkungen, wobei die Partikelgröße in einer Größenordnung liegen sollte, die sich für ein additives Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten eignet. Als geeignete Partikelgröße kann eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 0,1 bis 500 µm, bevorzugt von mindestens 1 und/oder höchstens 200 µm, und besonders bevorzugt mindestens 10 und/oder höchstens 80 µm angegeben werden. Ganz besonders bevorzugt ist eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 10 bis 80 µm.
Wie weiter unten angegeben, kann die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung, z.B. für bestimmte Verarbeitungen, auch als Draht vorliegen, so dass eine entsprechende drahtförmige Aluminiumlegierung ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist.
d50 bezeichnet die Größe, bei der die Menge der Partikel nach Gewicht, die einen kleineren Durchmesser als die angegebene Größe haben, 50% der Masse einer Probe beträgt. Herkömmlicherweise, ebenso wie im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung, wird die Teilchengrößenverteilung durch Laserstreuung oder Laserbeugung bestimmt, z.B. gemäß ISO 13320: 2009. Bei dem Durchmesser eines einzelnen Partikels kann es sich ggf. um einen jeweiligen maximalen Durchmesser (=Supremum aller Abstände je zweier Punkte des Partikels) oder um einen Siebdurchmesser oder um einen volumenbezogenen Äquivalenz-Kugel-Durchmesser handeln.
Wie vorstehend erwähnt kann durch den Einbezug von Elementen aus der Gruppe M1 die Neigung des Materials zur Ausbildung von Spannungsrissen erheblich vermindert werden, im Idealfall werden Spannungsrisse vollständig vermieden. Hierzu ist ein Einbezug von keramischen Materialien, die zu ähnlichen Zwecken beschrieben wurden, nicht erforderlich. Entsprechend enthält die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung möglichst keine zugesetzten keramischen Verbindungen, wie insbesondere Metall-Boride, -Nitride und -Carbide. Der Anteil solcher Materialien in der Aluminiumlegierung ist entsprechend zweckmäßig auf weniger als 0,2 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt weniger als 0,05 Gew.-% zu begrenzen. Auch nanopartikuläre Metalle oder Metallhydride (z.B. Zr, Hf oder ZrH₂, mit Partikelgrößen bis zu 5 µm), die zur Vermeidung von Spannungsrissen an anderer Stelle im Stand der Technik beschrieben wurden, sind für diesen Zweck in den erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen nicht erforderlich, so dass ihr Anteil in den für Metall-Boride, -Nitride und -Carbide bzw. keramische Additive angegeben Grenzen bewegen sollte. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierung für oder während ihrer Verarbeitung keine entsprechenden Materialien zugegeben werden.
Die erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen können durch jedwedes Verfahren hergestellt werden, dass dem Fachmann zur Herstellung von pulverförmigen Legierungen bekannt ist. Ein besonders zweckmäßiges Verfahren beinhaltet z.B. eine Verdüsung der flüssigen Aluminiumlegierung oder ein mechanisches Legieren. Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, das einen Schritt des Verdüsens der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von > 850°C, bevorzugt von > 950°C und weiter bevorzugt von > 1050°C beinhaltet. Temperaturen von mehr als 1200°C sind für die Verdüsung nicht erforderlich und auf Grund des höheren Energiebedarfs weniger zweckmäßig. Daher kann als besonders günstiger Temperaturbereich für die Verdüsung ein Bereich von > 850 bis 1200°C und bevorzugt > 950 bis 1150°C angegeben werden. Durch ausreichende Überhitzung der Schmelze bzw. Prozessführung muss sichergestellt sein, dass die o.g. Temperaturen auch konstant an der Düse vorherrschen, um unerwünschte Primärausscheidungen zu verhindern.
Alternativ kann die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung auch durch mechanisches Legieren hergestellt werden. Dabei werden Metallpulver der einzelnen Bestandteile der späteren Legierung (oder Vorgemische davon) intensiv mechanisch behandelt und bis zum atomaren Niveau homogenisiert. Für eine Modifikation der Partikel ist es im Anschluss an ein mechanisches Legieren möglich, die erhaltenen Partikel nachzubearbeiten, um beispielsweise die Morphologie, Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung zu verändern oder eine Oberflächenbehandlung durchzuführen. Die Nachbearbeitung kann dabei einen oder mehrere Schritte ausgewählt aus chemischer Modifikation der Partikel und/oder der Partikeloberfläche, Sieben, Brechen, Rundmahlen, Plasmasphärodisieren (d.h. Verarbeiten zu runden Partikeln) und Additivieren umfassen. Dabei sind insbesondere Modifizierungen der Partikelmorphologie bzw. Korngrößenverteilung zweckmäßig, da beim mechanischen Legieren üblicherweise Plättchen bzw. Flakes erhalten werden. Diese Form ist bei einem späteren additiven Verarbeitungsverfahren generell problematisch.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine pulverförmige Aluminiumlegierung, die nach dem geschilderten Verfahren durch Verdüsung der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von bevorzugt > 850°C und weiter bevorzugt > 1050°C, oder durch mechanisches Legieren mit optionaler Nachbearbeitung, erhältlich ist, wobei für bevorzugte Ausführungsformen des Verdüsens, mechanischen Legierens und der optionalen Nachbearbeitung ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (d.h. eines Verfahrens, bei dem ein Objekt Schicht um Schicht aufgebaut wird). Das Objekt wird vorzugsweises hergestellt durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, bevorzugt indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, oder indem das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich eingebracht und geschmolzen und auf ein Substrat aufgebracht wird. Das Aufbaumaterial umfasst im Rahmen der hier geschilderten Erfindung eine pulverförmige Aluminiumlegierung wie im Vorstehenden angegeben, kann aber alternativ auch eine entsprechende drahtförmige Aluminiumlegierung umfassen. Vorzugsweise besteht das Aufbaumaterial aus dieser pulverförmigen oder drahtförmigen Aluminiumlegierung.
Bei dem dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Objekt aus einem Material (d.h. der Aluminiumlegierung) oder ein Objekt aus verschiedenen Materialien handeln. Handelt es sich bei dem dreidimensionalen Objekt um ein Objekt aus verschiedenen Materialien so kann dieses Objekt beispielsweise hergestellt werden, indem die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung beispielsweise auf einen Grundkörper des anderen Materials aufgebracht wird.
Im Rahmen dieses Verfahrens kann es zweckmäßig sein, wenn die pulverförmige Aluminiumlegierung vor dem selektiven Verfestigen vorgeheizt wird, wobei ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 110°C als bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 120°C als weiter bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 130°C als noch weiter bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 150°C als noch weiter bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 165°C als noch weiter bevorzugt und eine Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 190°C als noch weiter bevorzugt angegeben werden kann. Andererseits stellt ein Vorheizen auf sehr hohe Temperaturen erhebliche Anforderungen an die Vorrichtung zur Herstellung der dreidimensionalen Objekte, d.h. mindestens an den Behälter, in dem das dreidimensionale Objekt gebildet wird, so dass als sinnvolle Maximaltemperatur für das Vorheizen eine Temperatur von höchstens 400°C angegeben werden kann. Bevorzugt liegt die Maximaltemperatur für das Vorheizen bei höchstens 350°C und weiter bevorzugt bei höchstens 300°C. Die für das Vorheizen angegebenen Temperaturen bezeichnen jeweils die Temperatur, auf die die Bauplattform, auf die die pulverförmige Aluminiumlegierung aufgebracht wird, und das durch die pulverförmige Aluminiumlegierung gebildete Pulverbett aufgeheizt wird.
Der Auftrag oder das Aufbringen Schicht auf Schicht erfolgt zweckmäßig in einer für eine Verarbeitung mittels additiver Fertigung zweckmäßigen Schichtdicke, z.B. mit einer Schichtdicke im Bereich von 20 bis 60 µm, bevorzugt bei einer Dicke von mindestens 25 und/oder höchstens 50 µm und weiter bevorzugt bei einer Dicke von mindestens 30 und/oder höchstens 40 µm.
Wie vorstehend angegeben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgestaltet sein, dass das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich einer Energiequelle, z.B. eines Lasers, eingebracht und geschmolzen und auf ein Substrat aufgebracht wird. Bei einem derartigen Verfahren, das auch als Laser-Beschichtungsverfahren (Laser Cladding) im Modus eines Pulverauftragsschweißen bezeichnet wird, wird ein Pulver über ein oder mehrere Düsen punktförmig auf ein Substrat aufgesprüht, und gleichzeitig wird ein Laser auf den Auftragspunkt des Lasers ausgerichtet. Durch die Strahlungsenergie wird dabei das Substrat angeschmolzen und das aufgebrachte Legierungspulver geschmolzen, sodass sich die aufgebrachte Legierung mit dem angeschmolzenen Substrat verbinden kann. Auf diese Weise wird eine Lage des Partikelmaterials auf das Werkstück aufgebracht und mit einer Oberflächenschicht des Werkstücks verbunden. Durch sequentielles „Aufdüsen“ von Schmelzeschichten aus Partikelmaterial kann so ein größeres Werkstück hergestellt werden.
Alternativ kann ein Laser-Beschichtungsverfahren auch im Modus eines Drahtauftragsschweißen durchgeführt werden, wobei anstelle eines Pulvers ein Draht verwendet wird. Entsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Ausführungsform, bei der ein Draht aus einer Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, verwendet wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wurde zusätzlich gefunden, dass eine Wärmebehandlung des hergestellten dreidimensionalen Objekts dessen physikalische Eigenschaften, z.B. insbesondere die Zugfestigkeit und/oder die Streckgrenze erheblich verbessern können. Möglicherweise ist dieser Effekt auf Umlagerungen in der Mikrostruktur in der Legierung des anfänglich gebildeten dreidimensionalen Objekts zurückzuführen. Zu diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher vorzugsweise ferner einen Schritt, bei dem das anfänglich hergestellte dreidimensionale Objekt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400°C bis 500°C und/oder für eine Zeit von 20 bis 200 min. Als besonders bevorzugter Temperaturbereich kann ein Bereich von 420°C bis 470°C und insbesondere mindestens 430°C und/oder 450°C oder weniger genannt werden. Besonders bevorzugte Zeitrahmen für die Wärmebehandlung sind 30 min bis 120 min und insbesondere mindestens 40 min und/oder 80 min oder weniger. Zusätzlich wurde gefunden, dass eine solche Wärmebehandlung besonders vorteilhafte Ergebnisse liefert, wenn nach einer solchen Wärmebehandlung bei vergleichsweise hoher Temperatur das dreidimensionale Objekt schnell auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt wird (d.h. in 10 min oder weniger und vorzugsweise 5 min oder weniger, z.B. durch Abschrecken mit Wasser) und anschließend bei einer Temperatur von 90°C bis 150°C, insbesondere mindestens 110°C und/oder bei 140°C oder weniger, für mindestens 12 Stunden und vorzugsweise mindestens 18 Stunden gealtert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein dreidimensionales Objekt, das unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbesondere hergestellt nach dem im vorstehenden geschilderten Verfahren, hergestellt ist, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung, wie vorstehenden geschildert ist und wobei das dreidimensionale Objekt eine solche Aluminiumlegierung umfasst oder aus dieser besteht. Durch die Verwendung der vorstehend angegebenen Legierungen für die Herstellung solcher Objekte sind sehr gute „as built“-Oberflächen erhältlich, so dass anschließende Nachbehandlungen der Oberfläche (z.B. Glätten) minimiert werden können.
Das erfindungsgemäße dreidimensionale Objekt weist zweckmäßig vorteilhaft angepasste mechanische Eigenschaften auf, wie insbesondere eine Streckgrenze von mindestens 400 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 440 MPa bis 550 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 460 bis 480 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von 450 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 470 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 550 MPa. Diese jeweiligen Streckgrenzen und Festigkeiten sind im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung gemäß EN ISO 6892.1 (2011) zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich dazu weist ein erfindungsgemäßes dreidimensionales Objekt vorzugsweise eine Streckgrenze bei 200°C von vorzugsweise mindestens 330 MPa, weiter bevorzugt mindestens 350 MPa und noch weiter bevorzugt im Bereich von 360 MPa bis 420 MPa auf.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wie vorstehend angegeben, wobei die Vorrichtung eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, eine Prozesskammer, die als offener Behälter mit einer Behälterwandung ausgeführt ist, einen in der Prozesskammer befindlichen Träger, wobei Prozesskammer und Träger gegeneinander in vertikaler Richtung beweglich sind, einen Vorratsbehälter und einen in horizontaler Richtung bewegbaren Beschichter aufweist, und wobei der Vorratsbehälter mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, gefüllt ist.
Analog betrifft die vorliegende Erfindung eine Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, die eine Vorrichtung zur Laserbeschichtung und eine Prozesskammer, eine Zuführvorrichtung zur Zuführung von partikulärem Material oder Draht in den Einwirkbereich des Laserstrahls, und einen Vorratsbehälter aufweist, der mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, oder mit Draht einer solchen Aluminiumlegierung gefüllt ist.
Additive Herstellvorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten und zugehörige Verfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen (oder drahtförmigen) Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, zum Beispiel beim Lasersintern („SLS“ oder „DMLS“) oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen herbeigeführt werden.
Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird der Einwirkbereich eines Laserstrahls („Laserfleck“) auf eine Schicht des Aufbaumaterials über jene Stellen der Schicht bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechen. Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers bzw. Bindemittels. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.
Andere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung finden sich in der Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen.

1 zeigt eine schematische Abbildung, teilweise wiedergegeben als Querschnitt, einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine an sich bekannte Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung a1. Zum Aufbauen eines Objekts a2 enthält sie eine Prozesskammer a3 mit einer Kammerwandung a4. In der Prozesskammer a3 ist ein nach oben offener Baubehälter a5 mit einer Wandung a6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters a5 ist eine Arbeitsebene a7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene a7, der zum Aufbau des Objekts a2 verwendet werden kann, als Baufeld a8 bezeichnet wird. In dem Behälter a5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger a10 angeordnet, an dem eine Grundplatte a11 angebracht ist, die den Baubehälter a5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte a11 kann eine getrennt von dem Träger a10 gebildete Platte sein, die an dem Träger a10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger a10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte a11 noch eine Bauplattform a12 angebracht sein, auf der das Objekt a2 aufgebaut wird. Das Objekt a2 kann aber auch auf der Grundplatte a11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Baubehälter a5 auf der Bauplattform a12 zu bildende Objekt a2 unterhalb der Arbeitsebene a7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial a13. Die Lasersintervorrichtung a1 enthält weiter einen Vorratsbehälter a14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial a15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter a16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials a15 auf das Baufeld a8. Die Lasersintervorrichtung a1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung a20 mit einem Laser a21, der einen Laserstrahl a22 als Energiestrahlbündel erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung a23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung a24 über ein Einkoppelfenster a25, das an der Oberseite der Prozesskammer a3 in deren Wandung a4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene a7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung a1 eine Steuereinheit a29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung a1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit a29 kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann. Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger a10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Durch Verfahren des Beschichters a16 über die Arbeitsebene a7 wird dann eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials a15 aufgebracht. Zu Sicherheit schiebt der Beschichter a16 eine etwas größere Menge an Aufbaumaterial a15 vor sich her, als für den Aufbau der Schicht erforderlich ist. Den planmäßigen Überschuss an Aufbaumaterial a15 schiebt der Beschichter a16 in einen Überlaufbehälter a18. Auf beiden Seiten des Baubehälters a5 ist jeweils ein Überlaufbehälter a18 angeordnet. Das Aufbringen des pulverförmigen Aufbaumaterials a15 erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts a2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld a8, also den Bereich der Arbeitsebene a7, der durch eine Vertikalbewegung des Trägers a10 abgesenkt werden kann. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts a2 von dem Laserstrahl a22 mit einem Strahlungseinwirkbereich (nicht gezeigt) abgetastet, der schematisch eine Schnittmenge des Energiestrahlbündels mit der Arbeitsebene a7 darstellt. Dadurch wird das pulverförmige Aufbaumaterial a15 an Stellen verfestigt, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts a2 entsprechen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt a2 fertiggestellt ist und dem Baubehälter a5 entnommen werden kann. Zum Erzeugen eines bevorzugt laminaren Prozessgasstroms a34 in der Prozesskammer a3 enthält die Lasersintervorrichtung a1 ferner einen Gaszuführkanal a32, eine Gaseinlassdüse a30, eine Gasauslassöffnung a31 und einen Gasabführkanal a33. Der Prozessgasstrom a34 bewegt sich horizontal über das Baufeld a8 hinweg. Auch die Gaszufuhr und -abfuhr kann von der Steuereinheit a29 gesteuert sein (nicht dargestellt). Das aus der Prozesskammer a3 abgesaugte Gas kann einer (nicht gezeigten) Filtervorrichtung zugeführt werden, und das gefilterte Gas kann über den Gaszuführkanal a32 wieder der Prozesskammer a3 zugeführt werden, wodurch ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf gebildet wird. Statt lediglich einer Gaseinlassdüse a30 und einer Gasauslassöffnung a31 können jeweils auch mehrere Düsen bzw. Öffnungen vorgesehen sein.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vorratsbehälter a14 mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung a15, wie vorstehend angegeben, gefüllt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft schließlich eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag, sowie 1,3 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide und Li, wobei bevorzugt der auf 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt und wobei weiter bevorzugt der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium, Mangan, Silizium und Sauerstoff entfällt.
Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung durch einige Beispiele illustriert, die jedoch nicht als in irgendeiner Weise maßgeblich für den Schutzumfang dieser Anmeldung aufgefasst werden sollten.
Beispiel 1:

Verschiedene Aluminiumlegierungen mit den in Tabelle 1 angegebene Zusammensetzungen wurden mittels Direct metal laser sintering (DMLS) zu Testkörpern verarbeitet. Die so hergestellten Testkörper wurden in Bezug auf ihre Härte, Streckgrenze bei 23°C und Zugfestigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

		Vergleichsprobe 1	Vergleichsprobe 2	Probe 1 (Erfindung)
Zusammensetzung
	Al	Rest zu 100%	Rest zu 100%	Rest zu 100%
	Cu	4,8	5,0	5,2
	Ag	0,4	0,39	0,33
	Mg	0,4	0,4	0,81
	Zn	0,11	0,01
	Si	0,13	0,07	0,09
	Mn	0,4	0,4	0,48
	O	0,046	0,019	0,14
	Zr		0,13	1,8
	Ti		0,24	1,0
	Rest	<0,05	<0,05	<0,05
Eigenschaften
Härte¹		80 HB	120-125 HB	130-145/170 HB²
Streckgrenze (Rp0,2)			~ 250 MPa	480 MPa/510 MPa²
Zugfestigkeit (Rm)			~ 400 MPa	550 MPa/525 MPa²

¹ = wie hergestellt ; ² = nach Wärmebehandlung.

Zur Bestimmung der Härte wurde der hergestellte Testkörper der Brinell - Methode gemäß der Norm DIN EN ISO 6506-1: 2015„Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Brinell - Teil 1: Prüfverfahren“ unterzogen. Für die Bestimmung wurde Dichtewürfelproben verwendet. Die Tests werden für jede Probe dreimal durchgeführt, und die gemessenen Werte werden mit einer Genauigkeit von 1 HBW angegeben.
Der in Vergleichsprobe 1 hergestellte Testkörper wies massive Heißrisse auf. Bei Vergleichsprobe 2 waren die Heißrisse im Vergleich zu Vergleichsprobe 1 erheblich reduziert, aber noch erkennbar; eine Wärmebehandlung des Testkörpers führte nicht zu einer Verbesserung der Härte des Materials. Das erfindungsgemäße Material zeigte keine Heißrisse und gegenüber den Vergleichsproben erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften schon direkt nach der Herstellung. Durch Wärmebehandlung (485°C/40 min und anschließendes Abschrecken mit Wasser und Auslagerung bei 25°C) ließen sich diese Eigenschaften noch erheblich verbessern.
Beispiel 2:
Ein aus der Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 hergestellter Testkörper (-•-) wurde in Bezug auf seine Streckgrenzen-Eigenschaften mit entsprechenden Testkörpern aus anderen Materialien verglichen. Als Vergleichsmaterialien wurden Testkörper aus Scalmalloy (DMLS verarbeitet, -◇-), der Aluminiumlegierung AW2618 (geschmiedet, T6, -□-), der Aluminiumlegierung 7075 (T6,-A-), der Aluminiumlegierung 2024 (T6, -x-) und Addmalloy (DMLS verarbeitet, -○-) verwendet. Die Daten der Vergleichsmaterialien sind der Literatur, bzw. entsprechenden Datenblättern entnommen. Die Streckgrenzen von Testkörpern aus diesen Materialen sind in 2 wiedergegeben.
Aus 2 wird ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung schon bei 23°C die höchste Streckgrenze aller getesteten Materialen hatte, wobei nur Scalmalloy und die Aluminiumlegierung 7075 eine Streckgrenze in einem ähnlich hohen Bereich aufwiesen. Gegenüber der hochtemperaturfesten Knetlegierung AW-2618A betrug der Unterschied etwa 27%. Ab einer Temperatur von etwa 100 bis 120°C fällt die Streckgrenze der Aluminiumlegierung 7075 stark ab, die von Scalmalloy ist bei diesen Temperaturen sogar noch deutlich geringer. Die Streckgrenze der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung nimmt im Gegensatz dazu bei diesen Temperaturen nur geringfügig ab. Bei etwa 200°C weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung eine um etwa 42% bessere Streckgrenze auf, als die zweibeste Legierung AW 2618A.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1762122 A1 [0006]
EP 3181711 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 13320: 2009 [0023]
ISO 6892.1 [0036]
DIN EN ISO 6506-1: 2015 [0048]

Claims

Pulverförmige Aluminiumlegierung mit Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestem Legierungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide, und Li aufweist.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gehalt von mindestens 1,3 Gew.-%, bevorzugt 2,0 Gew.-% bis zu 8,0 Gew.-%, und weiter bevorzugt 2,5 Gew.% bis zu 5,0 Gew.-% an Metallen der Gruppe M1, bevorzugt an Zr und/oder Ti enthält.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aluminiumlegierung einen Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag aufweist, und wobei bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 3 mit einem Gehalt von mindestens 4,5 Gew.-% und/oder höchstens 5,8 Gew.-%, bevorzugt mindestens 4,8 Gew.-% und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Cu, mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 1,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% und/oder höchstens 1,2 Gew.-% Mg, und mindestens 0,05 Gew.% und/oder höchstens 0,6 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 0,4 Gew.-% Ag.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend bis zu 0,2 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Sauerstoff, bis zu 0,6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,55 Gew.-% Mangan und bis zu 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Silizium.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 0,1 bis 500 µm aufweist, bevorzugt von mindestens 1 und/oder höchstens 200 µm, besonders bevorzugt mindestens 10 und/oder höchstens 80 µm.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gehalt an Metall-Boriden, -Nitriden und -Carbiden von weniger als 0,2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% und weiterbevorzugt weniger als 0,05 Gew.-% aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt des Verdüsens der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von > 850°C und bevorzugt > 1050°C, oder einen Schritt des mechanischen Legierens, und gegebenenfalls Nachbearbeitung beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, bevorzugt indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, oder indem das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich eingebracht und geschmolzen und auf ein Substrat aufgebracht wird, wobei das Aufbaumaterial eine pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eine entsprechende drahtförmige Aluminiumlegierung umfasst und vorzugsweise aus dieser besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung vorgeheizt wird, bevorzugt auf eine Temperatur von mindestens 100°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das hergestellte dreidimensionale Objekt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400 °C bis 500 °C, und/oder für einen Zeitraum von 20 bis 200 Min.
Dreidimensionales Objekt hergestellt unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 8, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 angegeben ist und wobei das dreidimensionale Objekt eine solche Aluminiumlegierung umfasst oder aus dieser besteht.
Dreidimensionales Objekt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Streckgrenze von mindestens 400 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 440 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 460 bis 500 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von 450 MPa bevorzugt mindestens 470 MPa und/oder höchstens 550 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 550 MPa aufweist.
Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, eine Prozesskammer, die als offener Behälter mit einer Behälterwandung ausgeführt ist, einen in der Prozesskammer befindlichen Träger, wobei Prozesskammer und Träger gegeneinander in vertikaler Richtung beweglich sind, einen Vorratsbehälter und einen in horizontaler Richtung bewegbaren Beschichter aufweist, und wobei der Vorratsbehälter mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gefüllt ist.
Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag, sowie 1,3 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe M1 umfassend Mo, Nb, Cr, Zr, Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide und Li, wobei bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt und wobei weiter bevorzugt der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium, Mangan, Silizium und Sauerstoff entfällt.