Durchbruch in der additiven Fertigung

Ein neues Verfahren ermöglicht Aluminiumlegierungen für den 3-D-Druck, die nicht nur hochfest, sondern auch hochverformbar sind. Bislang hatte gegolten: entweder oder.

Ein Engineering-Team der Purdue University im US-Bundesstaat Indiana hat ein Verfahren für hochfeste Aluminiumlegierungen entwickelt, die aufgrund ihrer plastischen Verformbarkeit für die additive Fertigung geeignet sind. Konkret wurden intermetallisch verfestigte additive Aluminiumlegierungen unter Verwendung verschiedener Übergangsmetalle wie Kobalt, Eisen, Nickel und Titan hergestellt.

"Unsere Arbeit zeigt, dass heterogene Mikrostrukturen und nanoskalige Intermetalliken mit mittlerer Entropie eine alternative Lösung für die Entwicklung hochfester, hochverformbarer Aluminiumlegierungen durch additive Fertigung bieten", so Xinghang Zhang, einer der Leiter des Forschungsteams. "Diese Legierungen sind besser als herkömmliche, die entweder hochfest oder hochverformbar sind, aber nicht beides."

Aluminiumlegierungen anfällig für Heißrissbildung

Laut den Forschenden können die meisten handelsüblichen hochfesten Aluminiumlegierungen nicht für die additive Fertigung verwendet werden. Grund: Sie sind anfällig für Heißrissbildung. Eine traditionelle Methode zur Verringerung der Heißrissbildung bei der additiven Fertigung ist die Einführung von Partikeln.

Doch gibt es ein Problem: Die höchste Festigkeit, die diese Legierungen erreichen, liegt im Bereich von 300 bis 500 MPa. Stähle hingegen erreichen typischerweise 600 bis 1000 MPa. Bisher war es nur begrenzt gelungen, hochfeste Aluminiumlegierungen herzustellen, die auch eine entsprechende plastische Verformbarkeit aufweisen.

Intermetallische Lamellen im Nanomaßstab

Doktorand Anyu Shang erklärt: "Unsere Methode formt die Übergangsmetallelemente zu Kolonien von intermetallischen Lamellen im Nanomaßstab, die sich zu feinen Rosetten zusammenlagern. Die nanolaminierten Rosetten können die Sprödigkeit der Intermetalle weitgehend unterdrücken."

Co-Studienleiter Haiyan Wang fügt hinzu: "Außerdem enthalten die heterogenen Mikrostrukturen harte nanoskalige Intermetalle und eine grobkörnige Aluminiummatrix, die eine erhebliche Rückspannung induziert." Diese wiederum könne die Kaltverfestigung von metallischen Werkstoffen verbessern.

Veröffentlichung in Nature Communications

Das Forschungsteam hat an den hergestellten Aluminiumlegierungen Drucktests im Makromaßstab, Drucktests an Mikropillaren und Nachverformungsanalysen durchgeführt. Während der Makroskalentests zeigten die Legierungen eine Kombination aus ausgeprägter plastischer Verformbarkeit und hoher Festigkeit von mehr als 900 MPa. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.