DE102018127401A1

DE102018127401A1 - Hochfeste Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung von dreidimensionalen Objekten

Info

Publication number: DE102018127401A1
Application number: DE102018127401.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Härtel
Original assignee: AM Metals GmbH
Current assignee: AM Metals GmbH
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2020-05-07
Also published as: EP3874073A1; JP2022517058A; JP2024045169A; WO2020089299A1; CN113166856A; US20220002844A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft pulverförmige Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt an mindestens zwei Elementen M aus der Gruppe umfassend Cr, Fe, Ni und Co und mindestens einem Element N aus der Gruppe umfassend Ti, Y und Ce, wobei die Legierung eine Gesamtmenge an Elementen M im Bereich von 1 bis 16 Gew.-%, eine Gesamtmenge an Elementen N im Bereich von 0,5 bis 5 Gew.- %, wenn die Aluminiumlegierung Ti oder Ce enthält, und 1 bis 10 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Y enthält, aufweist. Derartige Aluminiumlegierungen können in additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen zur Herstellung von hochfesten dreidimensionalen Objekten verwendet werden, die z.B. in Motoren für Automobile eingesetzt werden können. 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 einem Gehalt an zwei Elementen M aus der Gruppe umfassend Cr, Fe, Ni und Co und mindestens einem Element N aus der Gruppe umfassend Ti, Y, und Ce, wobei die Legierung eine Gesamtmenge an Elementen M im Bereich von 1 bis 16 Gew.-%, eine Gesamtmenge an Elementen N im Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Ti oder Ce enthält, und 1 bis 10 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Y enthält, aufweist. 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.
Neben einer Verwendung von Leichtmetalllegierungen für strukturelle Bauteile ist eine Verwendung der Legierungen für Komponenten im Motorraum von Interesse. Schwierigkeiten bereitet hier aber der Umstand, dass im Motorraum hohe Temperaturen herrschen können, so dass Bauteile für eine Verwendung in diesem Bereich hohen Anforderungen an die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit genügen müssen.
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.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Aluminiumlegierungen für das selektive Laserschmelzen bekannt und am Markt verfügbar. Bei diesen Werkstoffen handelt es sich überwiegend um AlSi-Werkstoffe wie AlSi10Mg, AlSi12, AlSi9Cu3, die jedoch nur mittlere Festigkeiten und Gefügestabilitäten aufweisen.
Die DE 10 2017 200 968 A1 beschreibt Aluminiumlegierungen zur Bildung hochtemperaturbeständiger Legierungen umfassend Aluminium, Eisen und Silizium die mit Hilfe von selektivem Lasersintern oder selektivem Laserschmelzen zu dreidimensionalen Objekten verarbeitet werden können. Kern der DE 10 2017 200 968 A1 ist dabei, dass das geschmolzene Vorläufermaterial mit einer Rate von ≥ 1,0 x 10⁵ K/Sekunde zu einer festen Legierungskomponente mit einer stabilen ternären kubischen Phase mit hoher Wärmebeständigkeit und Festigkeit gekühlt wird.
Eine hochfeste Legierung für die additive Fertigung vom Typ AlMgSc ist in der EP 3 181 711 A1 beschrieben. In diesen Legierungen wirken intermetallische Al-Sc Phasen stark festigkeitssteigernd, so dass Streckgrenzen von > 400 MPa erreicht werden. Das für diese Legierungen erforderliche Sc, dass in Mengen im Bereich von 0,6 bis 3 Gew.-% eingesetzt wird, macht diese Legierungen aber sehr kostenintensiv und der Werkstoff ist zudem stark abhängig von der Produktion ausreichender Scandiummengen. Nachteilig ist weiterhin, 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 ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen wie AlMgSc-Legierungen der EP 3 181 711 A1 . Problematisch bei diesen Materialien ist aber, dass sie bei Temperaturen oberhalb von 200°C einen signifikanten Festigkeitsabfall zeigen. Ein weiteres Problem der Al-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 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.
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 10, durch ein Verfahren zur Herstellung der pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 12, durch ein dreidimensionales Objekt, das unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung wie in Anspruch 1 angegeben hergestellt ist, gemäß Anspruch 13, 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 mindestens zwei Elemente M aus der Gruppe umfassend Cr, Fe, Ni und Co und mindestens ein Element N aus der Gruppe umfassend Ti, Y und Ce, wobei die Legierung eine Gesamtmenge an Elementen M im Bereich von 1 bis 16 Gew.-%, eine Gesamtmenge an Elementen N im Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Ti oder Ce enthält, und 1 bis 10 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Y enthält, aufweist.
Als bevorzugte pulverförmige Aluminiumlegierungen können solche angegeben werden, die einen Gehalt von mindestens 0,5 und/oder höchstens 8 Gew.-% Fe, mindestens 0,5 und/oder höchstens 4,0 Gew.-% Cr und mindestens 0,5 und/oder höchstens 4,0 Gew.-% Ti sowie gegebenenfalls bis zu 1,0 Gew.-% Si und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu 1 Gew.-% Ce aufweisen. Weiter bevorzugt sind pulverförmige Aluminiumlegierungen, die mindestens 0,5 und höchstens 8 Gew.- % Fe, mindestens 0,5 und höchstens 4,0 Gew.-% Cr und mindestens 0,5 und höchstens 4,0 Gew.-% Ti sowie gegebenenfalls bis zu 1,0 Gew% Si, bis zu 1 Gew.-% Zr und bis zu 1 Gew.-% Ce aufweisen. In einer Ausführungsform enthält die Aluminiumlegierung Si, Zr und Ce in einer Menge von mindestens 0,01 Gew.- %.
Nach dem Vorstehenden enthält die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung zweckmäßig mindestens 0,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 3 Gew.- % und weiter bevorzugt mindestens 4 Gew.-% Eisen. Alternativ, oder zusätzlich dazu enthält die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens 8 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 7 Gew.- % und noch weiter bevorzugt höchstens 6 Atom% Eisen, wobei jede der angegebenen Obergrenzen mit jeder der angegebenen Untergrenzen kombiniert werden kann oder einen in eine Richtung offenen Bereich definieren kann.
Die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung enthält zudem zweckmäßig mindestens 0,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 2 Gew.- % und weiter bevorzugt mindestens 3 Gew.-% Chrom. Alternativ, oder zusätzlich dazu enthält die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens 4,5 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 3,8 Gew.-% Chrom, wobei jede der angegebenen Obergrenzen mit jeder der angegebenen Untergrenzen kombiniert werden kann oder einen in eine Richtung offenen Bereich definieren kann.
In Bezug auf die Gesamtmenge des in die pulverförmige Aluminiumlegierung einbezogenen Eisens, Chroms und/oder Kobalts gelten Gehalte von mehr als 1 Gew.-% als bevorzugt, von ≥ 1,5 Gew.-% als weiter bevorzugt und von ≥ 2 Gew.-% als noch weiter bevorzugt.
Die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung enthält weiterhin zweckmäßig mindestens 0,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1 Gew.- % und weiter bevorzugt mindestens 1,5 Gew.-% Titan. Alternativ, oder zusätzlich dazu enthält die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens 4,5 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 3,5 Gew.-% Titan, wobei jede der angegebenen Obergrenzen mit jeder der angegebenen Untergrenzen kombiniert werden kann oder einen in eine Richtung offenen Bereich definieren kann.
Als Hauptbestandteil enthalten die pulverförmigen Aluminiumlegierungen Aluminium, das vorzugsweise mindestens 90%, weiter bevorzugt mindestens 95% und noch weiter bevorzugt mindestens 98% des zu 100% fehlenden Anteils an der Aluminiumlegierung ausmacht. Bei weiteren nicht-Aluminium Bestandteilen kann es sich z.B. um Sauerstoff handeln, der als Oxidanteil auf der Oberfläche der Pulverpartikel vorliegen kann. Weitere Elemente, die in der pulverförmigen Aluminiumlegierung enthalten sein können, sind z.B. Mangan oder Magnesium.
Bezogen auf die gesamte pulverförmige Aluminiumlegierung liegt der Anteil an Aluminium bevorzugt bei mindestens 80 Gew.-% und bevorzugt mindestens 85 Gew.-%. Alternativ, oder zusätzlich dazu enthält die angegebene pulverförmige Aluminiumlegierung bevorzugt höchstens 93 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 90,5 Gew.-% Aluminium, wobei jede der angegebenen Obergrenzen mit jeder der angegebenen Untergrenzen kombiniert werden kann.
Für Silizium kann ein Gehalt an bis zu 3 Gew.-% als bevorzugt, von bis zu 1,5 Gew.-% als weiter bevorzugt und bis zu 0,5 Gew.-% als noch weiter bevorzugt angegeben werden, wobei die Angabe „bis zu“ einen Gehalt von 0 Atom% einschließen oder ausschließen kann. Entsprechendes gilt für die Angaben „bis zu 1 Gew.-%“ für den Gehalt an Zirkonium und Cer.
Weiter bevorzugte pulverförmige Aluminiumlegierungen sind solche mit einem Gehalt von mindestens 3 und/oder höchstens 7 Gew.-%, bevorzugt mindestens 4 und/oder höchstens 6 Gew.-% Fe, mindestens 2 und/oder höchstens 4 Gew.-%, bevorzugt mindestens 3 und/oder höchstens 3,8 Atom% Cr, mindestens 1 und/oder höchstens 4 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1,5 und/oder höchstens 3,5 Atom% Ti und mindestens 80 und/oder höchstens 93 Gew.-%, bevorzugt mindestens 85 und/oder höchstens 90,5 Gew.-% Aluminium. Noch weiter bevorzugte pulverförmige Aluminiumlegierungen enthalten 3 bis 7 Gew.-%, bevorzugt 4 bis 6 Gew.-% Fe, 2 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 3,8 Atom% Cr, 1 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1,5 bis 3,5 Gew.-% Ti und 80 bis 93 Gew.-%, bevorzugt 85 bis 90,5 Gew.-% Aluminium.
Von den vorstehend genannten Elementen wirken Ni, Y und Co, sowie das Seltenerdelement Ce in Aluminiumlegierungen als Glasbildner und führen so in der Legierung zur Bildung größerer amorpher Bereiche. Dadurch werden der Legierung bessere Korrosionseigenschaften vermittelt.
Zudem beeinflusst Ce, sowie auch Zr bzw. Si die Phasenbildung der Legierung.
Die Elemente Ti, Fe und Cr haben in Aluminiumlegierungen ein deutlich geringeres Glasbildungspotential als Ni, Y und Co. Es ist jedoch möglich, durch geeignete Prozessbedingungen wie ein möglichst rasches Erstarren eine metastabile Überstruktur mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
Alternative weiter bevorzugte pulverförmige Aluminiumlegierungen sind solche mit einem Gehalt von mindestens 1 und/oder höchstens 7,5 Gew.-% Ni, mindestens 1 und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Co und mindestens 2 und/oder höchstens 10 Gew.-% Y sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 Gew.-% Mn, und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr. Diese Aluminiumlegierungen weisen bevorzugt einen Gehalt von 1 bis 7,5 Gew.-% Ni, 1 bis 5,5 Gew.-% Co und 2 bis 10 Gew.-% Y sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 Gew.-% Mn, und bis zu 1 Gew.-% Zr auf. Ganz besonders bevorzugt enthalten diese Aluminiumlegierungen einen Mindestanteil von Mn und/oder Zr von 0,01 Gew.-%.
Weitere alternative bevorzugte pulverförmige Aluminiumlegierungen sind solche mit einem Gehalt von mindestens 2 und/oder höchstens 10 Gew.-% Ni, mindestens 0,5 und/oder höchstens 6 Gew.-% Fe, und mindestens 0,5 und/oder höchstens 5 Gew.-% Ce sowie gegebenenfalls bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu je 2,0 Gew.-% an Gd, Nd oder La. Diese Aluminiumlegierungen weisen bevorzugt einen Gehalt von 2 bis 10 Gew.-% Ni, 0,5 bis 6 Gew.-% Fe, und 0,5 bis 5 Gew.-% Ce sowie gegebenenfalls bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu je 2,0 Gew.-% an Gd, Nd oder La auf. Ganz besonders bevorzugt enthalten diese Aluminiumlegierungen einen Mindestanteil von Zr und/oder Gd und/oder Nd und/oder La von 0,01 Gew.-%.
Für die erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen ist es weiterhin bevorzugt, wenn sie bis zu 0,3 Gew.-%, und bevorzugt bis zu 0,25 Gew.-% Sauerstoff enthält. Es wurde beobachtet, dass ein in diesen Bereichen höherer Sauerstoffgehalt, z.B. von 0,1 bis 0,3 Gew.-% und bevorzugt 0,15 bis 0,25 Gew.- %, den Pulverpartikeln eine bessere Fließfähigkeit (bestimmt durch Hall Flow Test gemäß ISO 4490) vermittelt.
Für die vorstehend beschriebenen Legierungen wurde gefunden, dass sie eine thermisch stabile, nanokristalline Struktur aufweisen, die durch ikosaedrische Phasen und/oder amorphe Bestandteile verstärkt werden. Konventionell war es bisher nicht möglich, komplexe Bauteile aus solchen Legierungen herzustellen, da diese Legierungen nicht gießbar, schmiedbar, (konventionell) sinterbar oder schweißbar sind. Vor diesem Hintergrund hat es sich überraschend gezeigt, dass die Legierungen mit Hilfe von Laserschmelzverfahren zu komplexen Bauteilen verarbeitet werden können und so Bauteile mit höchsten Festigkeiten, Steifigkeiten bzw. Kriechbeständigkeiten bei Temperaturen von bis zu 350°C zugänglich machen. Darüber hinaus können die so hergestellten Produkte verbesserte Verschleißbeständigkeiten und/oder Korrosionseigenschaften aufweisen.
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.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mindestens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 95 Gew.-% und weiter bevorzugt mindestens 98 Gew.-% der Partikel eine Partikelgröße im Bereich von 10 bis 80 µm aufweisen.
Die Partikelgrößen sind im Rahmen dieser Erfindung insbesondere mit Hilfe von Laserbeugungsverfahren (gemäß ISO 13320, mit einem HELOS-Gerät der Sympatec GmbH) zu bestimmen, wobei bei der mittleren Partikelgröße in der Angabe D(Zahlenwert) der Zahlenwert für den Anteil der Partikel (in Prozent) steht, die kleiner oder gleich groß sind wie die angegebene Partikelgröße (d.h. bei einer D50 von 50 µm haben 50% der Partikel eine Größe von ≤ 50 µm). 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.
Für die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung ist es weiterhin bevorzugt, wenn die dem Pulver zugrundeliegende Aluminiumlegierung eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

- eine Festigkeit, bestimmt als Streckgrenze, von > 300 MPa und bevorzugt > 320 MPa, bestimmt bei 23°C,
- eine Warmstreckgrenze von >200 MPa und bevorzugt > 250 MPa bestimmt bei 250°C,
- eine Kurzzeitkriechfestigkeit, bestimmt als Spannung bei einer Kriechdehnung von 0,5 % bei 260°C und einer Haltezeit von 6 Min, von mindestens 200 MPa, bevorzugt mindestens 220 MPa und noch weiter bevorzugt mindestens 240 MPa.

Die „Festigkeit“ beschreibt die Beanspruchbarkeit durch mechanische Belastungen, bevor es zu einem Versagen kommt und bestimmt sich im Rahmen dieser Erfindung gemäß Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1: 2017 A224. Die „Steckgrenze“ bezeichnet diejenige Spannung, bis zu der ein Werkstoff bei einachsiger und momentenfreier Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Verformung zeigt.
Die Warmstreckgrenze bezeichnet die Steckgrenze bei der angegebenen Temperatur und bestimmt sich im Rahmen dieser Erfindung gemäß DIN EN ISO 6892-2:2011 A113.
Die Kurzzeitkriechfestigkeit bestimmt sich im Rahmen dieser Erfindung gemäß DIN EN ISO 6892-2:2011-05 A.
Als „Kriechen“ wird die Zeit- und Temperatur-abhängige, plastische und durch Last erzeugte Verformung eines Werkstoffs bezeichnet. Die Kriechdehnung bezeichnet die plastische Dehnung, die beim Kriechen eines Werkstoffs auftritt.
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 eine Verdüsung der flüssigen Aluminiumlegierung, wobei die Aluminiumlegierung auf eine geeignete Temperatur erhitzt und verdüst wird. Für die Verdüsung sollte die Aluminiumlegierung eine Temperatur von > 850°C, bevorzugt von > 950°C und weiter bevorzugt von > 1050°C aufweisen. 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 Primärauscheidungen zu verhindern.
Für die im Vorstehenden angegebenen pulverförmige Aluminiumlegierungen hat es sich gezeigt, dass auf Grund der Zusammensetzung im Ausgangsstoff hochschmelzende Partikel aus intermetallischen Phasen (aus Al-Ti-Verbindungen) von > 20 µm vorkommen können. Solche Partikel lassen sich bei einer späteren Verarbeitung im Rahmen einer additiven Fertigung eines dreidimensionalen Objekts nicht mehr mit dem umgebenden Material aufschmelzen und in Lösung bringen. Zudem ist es möglich, dass während des Schmelzens im Rahmen des Legierens durch eine ungünstige Prozessführung ebenfalls grobe hochschmelzende intermetallische Phasen entstehen, die im Lichtmikroskop am Schliff sowohl im Pulverpartikel, als auch im konsolidierten Teil nachweisbar sind. Da diese Partikel einen negativen Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften daraus erzeugter dreidimensionaler Objekte haben können, kann eine Nachbearbeitung zweckmäßig sein, bei der die pulverförmige Aluminiumlegierung unter geeigneten Schmelzbedingungen aufgeschmolzen und erneut verdüst wird.
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.
Nach dem Vorstehenden betrifft die vorliegende Erfindung demzufolge ein Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbesondere einer pulverförmigen Aluminiumlegierung zur Verwendung in den nachstehend geschilderten Verfahren, wobei eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung wie vorstehend angegeben, in einer geeigneten Vorrichtung verdüst wird, oder eine pulverförmige Aluminiumlegierung mit dieser Zusammensetzung durch mechanisches Legieren und gegebenenfalls Nachbearbeitung hergestellt wird.
Für bevorzugte Ausführungsformen des Verdüsens, mechanischen Legierens und der optionalen Nachbearbeitung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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, 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, indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden. Das Aufbaumaterial umfasst im Rahmen der hier geschilderten Erfindung eine pulverförmige Aluminiumlegierung wie im Vorstehenden angegeben. Vorzugsweise besteht das Aufbaumaterial aus dieser pulverförmigen 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. Bei dem von der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung verschiedenen Material handelt es sich zweckmäßig ebenfalls um eine Aluminiumlegierung, wie z.B. um AlSi10Mg.
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 130°C als bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 150°C als 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 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.
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 minimiert werden können.
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.
Additive Herstellvorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten und zugehörige Verfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen 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.
Im Rahmen der hier geschilderten Erfindung ist es bevorzugt, dass einzelne Partikel eines Aufbaumaterials ohne Verwendung eines Klebers oder Bindemittels, sondern allein durch Zufuhr von Strahlungsenergie miteinander verbunden werden. In diesem Fall können durch geeignete Parameterwahl die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in gewissen Grenzen eingestellt werden. So kann es bevorzugt sein, den Laser im Rahmen der angegebenen Herstellvorrichtung mit einer Leistung von etwa 310W zu betreiben um z.B. eine Härte der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im Bereich von 140 - 155 HBW 2,5/62,5 gemessen nach Brinell - DIN EN ISO 6506-1:2015 zu erzeugen. Alternativ kann es bevorzugt sein, den Laser im Rahmen der angegebenen Herstellvorrichtung mit einer Leistung von etwa 220W zu betreiben um z.B. eine Härte der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im Bereich von 145 - 170 HBW 2,5/62,5 gemessen nach Brinell - DIN EN ISO 6506-1:2015 zu erzeugen.
Es können verschiedene Arten von Aufbaumaterialien verwendet werden, insbesondere Pulver wie z. B. Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung zumindest anteilsmäßig als Aufbaumaterial zum Einsatz.
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.
2 zeigt einen Flächenvergleich eines Flügelrads, das durch selektives Laserschmelzen aus einer pulverförmigen Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
3 zeigt die Bestimmung der Kurzzeitkriechfestigkeit eines Testkörpers aus einer erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierung.

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 2 bis 8 Gew.-% Fe, 0,5 bis 4,0 Gew.-% Cr und 0,5 bis 4,0 Gew.-% Ti sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 Gew.-% Si und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu 1 Gew.-% Ce, wobei die Gesamtmenge an Fe, Cr und Ti in der Legierung bei mindestens 10 und/oder höchstens 16 und bevorzugt mindestens 11 und/oder höchstens 13 Gew.-% liegt. Eine ganz besonders bevorzugte Aluminiumlegierung enthält 5,1 ± 1 Gew.-% Fe, 3,5 ± 1 Gew.-% Cr und 2,5 ± 1 Gew.-% Ti, sowie eine Gesamtmenge an Si, Mn, Mg und O von 0,05 bis 1 Gew.-% und insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-% als weiter bevorzugt angegeben werden kann.
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.
Die Aluminiumlegierungen und dreidimensionalen Objekte im Folgenden wurden anhand der nachstehend geschilderten Verfahren charakterisiert:

Die mittlere Partikelgröße D50 wurde gemäß ISO 13320 mit einem HELOS-Gerät der Firma Symphatex GmbH bestimmt.
Die Fülldichte wurde gemäß ISO 3923/1 mit einem Hallflowmeter bestimmt.
Die Fließfähigkeit wurde gemäß ISO 4490 mit einem Hallflowmeter, 2,5mm bestimmt.

Die Bestimmung der Dichten erfolgt nach dem Archimedes-Prinzip nach ISO 3369: „Undurchlässige Sintermetallwerkstoffe und Hartmetalle - Bestimmung der Dichte“ für dreidimensionale Objekte, die durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen als Dichtewürfel hergestellt werden. Bei diesem Dichtemessverfahren wird die Masse einer Probe sowohl in Luft als auch in Wasser gemessen und die gemessene Massendifferenz zwischen den beiden Messungen wird dann zur Abschätzung des Probenvolumens basierend auf der bekannten Dichte von Wasser verwendet. Aus dem gemessenen Gewicht und Volumen der Probe kann dann deren Dichte berechnet werden. Für die Tests werden alle Seiten der Dichtewürfelproben manuell mit Struers SiC#320 Schleifpapier unter Verwendung eines Struers Labo-Pol-5 Probenvorbereitungssystems geschliffen, um die Oberflächenrauhigkeit und dadurch die Möglichkeit einer Verfälschung des Testergebnisses aufgrund von eingeschlossener Luft zu verringern Blasen auf den Probenoberflächen zu reduzieren. Ionenausgetauschtes Wasser wird zum Einwiegen beim Eintauchen in Wasser verwendet, und eine geringe Menge Geschirrspülflüssigkeit wird dem Wasser zugesetzt, um seine Oberflächenspannung zu verringern. Das Verfahren wird mit einem Labormaßstab (Kern PLT 650-3M) unter Verwendung eines eingebauten Dichteberechnungsprogramms durchgeführt. Für die automatische Berechnung wird die Wassertemperatur vor den Tests gemessen. Die Messungen werden fünfmal für jede Probe wiederholt, wobei die Probe zwischen jeder Messung umgeschaltet wird, und vor jeder neuen Messung werden die Proben gründlich getrocknet. Die unten dargestellten Ergebnisse sind die gemittelten Werte der fünf Wiederholungen.
Die Bestimmung der Zugfestigkeit, Streckgrenze, der Bruchdehnung und des E-modul erfolgte gemäß Zugprüfversuch nach der Norm DIN EN ISO 6892-1: 2016 „Metallische Werkstoffe - Zugversuch - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur“. Dreidimensionale Objekte, die durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen als Zugteststücke (Proben) hergestellt werden, werden für Zugversuche verwendet. Der Querschnittsdurchmesser jeder Probe wird mit einer Drehmaschine reduziert, so dass sie in der Mitte der Proben ihren kleinsten Wert, etwa 5,0 mm, erreicht. Dieser Durchmesser wird mit einem Mikrometer überprüft. Die Enden der Proben sind zur Befestigung mit einem Gewinde versehen. Die Prüfung erfolgt z.B. mit der Universalprüfmaschine inspekt table 50kn (Hegewald & Peschke Mess- und Prüftechnik GmbH). Die Zugkraft wird während der elastischen Phase des Materialverhaltens um 10 MPa/s erhöht und zu Beginn der plastischen Verformungsphase auf 0,375 MPa/s reduziert.
Während der Tests werden die maximale Belastung, die Streckgrenze (Rp0,2-Grenze), die Zugfestigkeit, das E-modul und die Bruchdehnung der Proben aufgezeichnet und dann die Verringerung der Querschnittsfläche am Bruchpunkt mit einem Schieber gemessen.
Die Eigenschaften der Warmzugfestigkeit, E-modul, Warmstreckgrenze und Bruchdehnung bei 250°C wurden gemäß DIN EN ISO 6892-2:2011 A113 bestimmt.
Die Härteprüfung der dreidimensionalen Objekte, die als Proben durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen hergestellt wurden, wird unter Verwendung der Brinell - Methode gemäß der Norm DIN EN ISO 6506-1: 2015“ Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Brinell - Teil 1: Prüfverfahren“ durchgeführt. Dichtewürfelproben werden für das Testen verwendet. Die Tests werden für jede Probe dreimal durchgeführt, und die gemessenen Werte werden mit einer Genauigkeit von 1 HBW angegeben. Die nachfolgend aufgeführten Zahlenangaben bezeichnen den Kugeldurchmesser der bei der Bestimmung verwendeten Prüfkugel (z.B. 2,5 mm) und die Prüfkraft (z.B. 62,5 kp).
Die Wärmeleitfähigkeit wurde gemäß der Formel λ = a·cp·p aus der gemessenen Temperaturleitfähigkeit a LFA (Laser Flash Methode Messgerät 427/ Fa. Netzsch Ar-Atmosphäre 100ml/min, je zwei gebaute Proben: Scheiben mit 12,6mm Durchmesser und 3 bis 3,5mm Dicke, planparallele Stirnseiten, Temperaturbereich 21 bis 250°C), der spezifischen Wärmekapazität cp und der temperaturabhängigen Dichte ρ unter Berücksichtigung der gemessenen Wärmeausdehnung atechn bestimmt. Bei der Laser-Flash Messmethode handelt es sich um ein Messverfahren zur direkten Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit. Dabei wird eine Probe mit Hilfe eines Lasers für einen kurzen Moment erwärmt. Um eine Messung durchführen zu können, wird zuvor die Probe in einen Probenhalter eingelegt und mit einer Wärmestrahlung absorbierenden Graphitschicht bedeckt. Dann wird der Probenhalter samt Probe in das System gegeben, wo er von einem Ofen auf die gewünschte Messtemperatur gebracht wird. Ist die Temperatur erreicht, wird mit einem Anregungspuls eine definierte Wärmemenge in die Probe eingetragen. Mittels eines Detektionslasers wird dann auf der anderen Seite des Probenhalters die Wärmereflexion der Probe bestimmt. Dabei zeigt sich in der Regel ein Anstieg der Probentemperatur nach dem Wärmeeintrag und anschließend ein langsamer Abfall, der je nach Temperaturleitfähigkeit der Probe steiler oder flacher sein kann. Aus diesen Daten wird mithilfe eines mathematischen Modells die Wärmeleitfähigkeit direkt berechnet.
Die spezifische Wärmekapazität cp wurde mit Hilfe eines Hochtemperaturkalorimeters Setaram, bei einem Messintervall von 80 bis 250 °C, 5K/min Heizgeschwindigkeit, He-Atmosphäre, kontinuierliches Vergleichsverfahren, je zwei gebaute Proben: Zylinder mit 4,9mm Durchmesser und 16mm Länge, planparallele Stirnseiten, bestimmt.
Die Wärmeausdehnung atechn wurde mit Hilfe eines Dilatometers DIL 402 C, Messbereich 20 bis 250°C, 5K/min Aufheizgeschwindigkeit in He-Atmosphäre, Proben: je zwei gebaute Proben: Zylinder mit 4mm Durchmesser und 25mm Länge, planparallele Stirnseiten, bestimmt.
Die für die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeausdehnung angegebenen Werte sind Mittelwerte der gemessenen Proben.
Beispiel 1:

Es wurden verschiedene pulverförmige Aluminiumlegierungen mit den in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften erzeugt: Tabelle 1

Legierungsnummer	1	2	3
Fe in Atom%	5,8	5,6	4,5
Cr in Atom%	3,5	3,5	3,5
Ti in Atom%	3,2	3,1	3
O in Atom%	0,09	0,23	0,16
Si in Atom%		0,17	0,16
Mn in Atom%		0,06	0,04
Mg in Atom%		0,03	0,02
Al in Atom%	Rest zu 100%	Rest zu 100%	Rest zu 100%
Eigenschaften
Mittlere Partikelgröße D50 in µm	35,8	31,9	36,5
Fließfähigkeit (FG Hall) in s	67	27,5	61
Fülldichte in g/cm³	1,45	1,60	1,51

Die kleinere Partikelgröße der Aluminiumlegierung 2 lieferte in Vergleich zur Aluminiumlegierung 1 eine verbesserte Oberflächenqualität und eine verminderte Risssensitivität bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten. Die Aluminiumlegierung 2 weist eine höhere Fülldichte auf und zeigte ebenfalls eine bessere Fließfähigkeit, was wahrscheinlich auf den höheren Sauerstoffgehalt zurückzuführen ist, der zu einer Reduktion der Kräfte zwischen den Partikeln führt. In der Legierung 3 sind die vorteilhaften Eigenschaften der Legierungen 1 und 2 kombiniert.
Die Pulver bestanden aus groben und hauptsächlich sphärischen Partikeln. Während die Aluminiumlegierung 1 wenige Partikel mit einer Größe von weniger als 10 µm enthielt, enthielt die Aluminiumlegierung 2 eine wesentliche Menge an feinen Partikeln im Pulver. Pulver 3 zeichnete sich im Vergleich zu Pulver 2 durch einen geringeren Feinanteil aus. Mit diesen Pulvern ließen sich Schichtdicken von 20 bis 60 µm verlässlich herstellen.
Beispiel 2:
Mit einer EOS M290 (EOSPrint Version 2.x, Laserleistung 270 W, Liniengeschwindigkeit 850 mm/s, Hatchabstand 0,1 mm, Schichtdicke 0,05 mm) wurden unter Verwendung der Aluminiumlegierung 3 dreidimensionale Probeobjekte hergestellt. Dazu wurde eine Vorheiztemperatur im Probenraum von 195°C eingestellt. Mit den Aluminiumlegierungen konnten Dichten der hergestellten Objekte von > 99% erreicht werden. Bei den aus Aluminiumlegierung 1 hergestellten Objekten zeigte sich eine etwas höhere Sensitivität gegenüber spröden Rissen.
Mit den Aluminiumlegierungen konnten komplexe Probeobjekte hergestellt werden. Ein hergestelltes Flügelrad mit den Dimensionen zeigte maximale Abweichungen gegenüber der Vorgabe von ± 0,15 mm (sh. 2).

Für aus der Aluminiumlegierung 3 hergestellte Proben mit einer Dichte von 2,9 g/cm³ wurden die folgenden Eigenschaften bestimmt: Tabelle 2:

	Zugprobe bei Raumtemperatur	bei 250°C	Probewürfel bei 20°C	Probewürfel bei 250°C
Behandlung	Wie hergestellt	Wie hergestellt	stabilisiert*	stabilisiert*
Zugfestigkeit in MPa - Baurichtung vertikal	450	310
Zugfestigkeit in MPa - Baurichtung horizontal	450	310
Steckgrenze in MPa - Baurichtung vertikal	340	270
Steckgrenze in MPa - Baurichtung horizontal	360	290
Bruchdehnung in %	4	6
E-Modul in GPa	85	75
Härte in HBW 2,5/62,5	154
Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K)			61-70	77-81
Wärmekapazität in kJ/(kg·K)			0,844	0,928
Wärmeausdehung in 10^-6 K^-1			19,7	21,1
* = Temperieren bei 350°C für 10h

Zusätzlich wurden galvanische Korrosionsstudien durchgeführt, wobei die aus Aluminiumlegierung 1 hergestellten Proben mit entsprechenden Proben aus Al 99,5 verglichen wurden. Als Bezugselektrode wurde eine gesättigte Kalomelelektrode verwendet. Die Messungen wurden in 0,01M NaCI-Lösung bei 25°C mit einem Platinblech als Gegenelektrode durchgeführt. Dabei zeigte sich für die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ein deutlich niedrigeres negatives Potential als bei der Probe aus Al 99,5.

Beispiel 3: Bestimmung der Kurzzeitkriechfestigkeit der Aluminiumlegierung 1
Die Kurzzeitkriechfestigkeit der Aluminiumlegierung 1 wurde gemäß DIN EN ISO 6892-2:2011-05 A bestimmt. Dazu wurden Proben bei 260°C auf unterschiedliche Spannungsniveaus gebracht und dann unter konstanter Spannung gehalten. Die sich nach 6min einstellende bleibende Dehnung wird als Messwert aufgenommen. Als Bezugsgröße für den Vergleich wird die Spannung, bei der sich 0,5% Dehnung einstellen, verwendet.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in 3 dargestellt. Für die Aluminiumlegierung 1 konnte eine Kurzzeitkriechfestigkeit, bestimmt als Spannung bei einer Kriechdehnung von 0,5 % bei 260°C und einer Haltezeit von 6 Min, von etwa 260 MPa bestimmt werden, was deutlich über der Kurzzeitkriechfestigkeit liegt, die für andere Aluminiumlegierungen beschrieben wurde (im Bereich von 9 bis 170 MPa). Für additiv gefertigtes Al-MMC wurde Kurzzeitkriechfestigkeit von 170 MPa bestimmt (nicht gezeigt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1762122 A1 [0006]
DE 102017200968 A1 [0008]
EP 3181711 A1 [0009, 0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 4490 [0028]
ISO 13320 [0032, 0059]
DIN EN ISO 6892-1: 2017 A224 [0034]
DIN EN ISO 6892-2:2011 A113 [0035, 0063]
DIN EN ISO 6892-2:2011-05 A [0036, 0075]
DIN EN ISO 6506-1:2015 [0051]
ISO 3923/1 [0059]
Norm DIN EN ISO 6892-1: 2016 [0061]
Norm DIN EN ISO 6506-1: 2015 [0064]

Claims

Pulverförmige Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an mindestens zwei Elementen M aus der Gruppe umfassend Cr, Fe, Ni und Co und mindestens einem Element N aus der Gruppe umfassend Ti, Y und Ce, wobei die Legierung eine Gesamtmenge an Elementen M im Bereich von 1 bis 16 Gew.-%, eine Gesamtmenge an Elementen N im Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Ti oder Ce enthält, und 1 bis 10 Gew.-%, wenn die Aluminiumlegierung Y enthält, aufweist.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 mit einem Gehalt von mindestens 0,5 und/oder höchstens 8 Gew.-% Fe, mindestens 0,5 und/oder höchstens 4,0 Gew.-% Cr und mindestens 0,5 und/oder höchstens 4,0 Gew.-% Ti sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 Gew.-% Si und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu 1 Gew.-% Ce.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 2 mit einem Gehalt von mindestens 3 und/oder höchstens 7 Gew.-%, bevorzugt mindestens 4 und/oder höchstens 6 Gew.-% Fe, mindestens 2 und/oder höchstens 4 Gew.-%, bevorzugt mindestens 3 und/oder höchstens 3,8 Gew.-% Cr, mindestens 1 und/oder höchstens 4 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1,5 und/oder höchstens 3,5 Gew.-% Ti und mindestens 80 und/oder höchstens 93 Gew.-%, bevorzugt mindestens 85 und/oder höchstens 90,5 Gew.-% Aluminium.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 mit einem Gehalt von mindestens 1 und/oder höchstens 7,5 Gew.-% Ni, mindestens 1 und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Co und mindestens 2 und/oder höchstens 10 Gew.- % Y sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 v% Mn, und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 mit einem Gehalt von mindestens 2 und/oder höchstens 10 Gew.-% Ni, mindestens 0,5 und/oder höchstens 6 Gew.-% Fe, und mindestens 0,5 und/oder höchstens 5 Gew.- % Ce sowie gegebenenfalls bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu je 2,0 Gew.-% an Gd, Nd oder La.
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 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie bis zu 0,3 Gew.-%, und bevorzugt bis zu 0,25 Gew.-% Sauerstoff enthält.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Pulver zugrundeliegende Aluminiumlegierung eine Festigkeit, bestimmt als Streckgrenze, von > 300MPa bestimmt bei 23°C, und/oder eine Warmstreckgrenze von >200MPa bestimmt bei 250°C aufweist und/oder ein Kurzzeitkriechfestigkeit, bestimmt als Spannung bei einer Kriechdehnung von 0,5 % bei 260°C und einer Haltezeit von 6 Min, von mindestens 200 MPa, bevorzugt mindestens 220 MPa und noch weiter bevorzugt mindestens 240 MPa aufweist.
Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhältlich durch Verdüsung der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von > 850°C und bevorzugt > 1050°C, oder durch mechanisches Legieren und gegebenenfalls Nachbearbeitung.
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, indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden wobei das Aufbaumaterial eine pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst und vorzugsweise aus dieser besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung vorgeheizt wird, bevorzugt auf eine Temperatur von mindestens 130°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C.
Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbesondere einer pulverförmigen Aluminiumlegierung zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 angegeben, in einer geeigneten Vorrichtung verdüst wird, oder eine Aluminiumlegierung mit dieser Zusammensetzung durch mechanisches Legieren und gegebenenfalls Nachbearbeitung hergestellt wird.
Dreidimensionales Objekt hergestellt unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 10, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 angegeben ist und wobei das dreidimensionale Objekt eine solche Aluminiumlegierung umfasst oder aus dieser besteht.
Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10, 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 9 gefüllt ist.
Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 2 bis 8 Gew.-% Fe, 0,5 bis 4,0 Gew.-% Cr und 0,5 bis 4,0 Gew.-% Ti sowie gegebenenfalls bis zu 3,0 Gew.-% Si und/oder bis zu 1 Gew.-% Zr und/oder bis zu 1 Gew.-% Ce, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge an Fe, Cr und Ti in der Legierung bei mindestens 10 und/oder höchstens 16 und bevorzugt mindestens 11 und/oder höchstens 13 Gew.-% liegt.