Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

Auf der Suche nach leichteren, stärkeren Maschinen wenden sich Ingenieure oft Aluminium zu. Es ist ein Metall, das etwa ein Drittel des Gewichts von Eisen besitzt und dennoch die Festigkeit und Rostbeständigkeit aufweist, die für anspruchsvolle Aufgaben in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung erforderlich sind. Das Problem besteht jedoch darin, dieses Metall in komplexe, maßgeschneiderte Teile zu verwandten. Traditionelle Methoden wie Gießen oder Zerspanen können verschwenderisch sein oder in der Formgebung begrenzt sein. Ein neuerer Ansatz, bekannt als additive Fertigung, baut Objekte Schicht für Schicht auf, ähnlich wie ein 3D-Drucker, jedoch in einem viel größeren Maßstab. Während diese Technologie großes Versprechen bietet, steht sie vor einer erheblichen Hürde: Die intensive Hitze, die zum Schmelzen des Metalldrahtes verwendet wird, kann dazu führen, dass das Material ungleichmäßig abkühlt. Diese ungleichmäßige Abkühlung führt oft zu großen, schwachen Kristallstrukturen und winzigen internen Löchern, was das fertige Bauteil anfällig für Risse oder Brüche unter Belastung machen kann. Für eine spezifische Art von Aluminiumlegierung, die in kritischen Anwendungen eingesetzt wird – bekannt als die 2319er Serie – sind diese Defekte besonders problematisch und schränken die Leistungsfähigkeit des Metalls unter realen Bedingungen ein.

Um dies zu lösen, entwickelten Forscher der Dalian University of Technology und der Huaqiao University eine neue Methode, die zwei unterschiedliche Prozesse kombiniert: eine hybride Wärmequelle und einen mechanischen Druck. Sie verwendeten eine Technik namens laserinduzierte Lichtbogen-additive Fertigung, bei der Aluminiumdraht durch eine Kombination aus einem elektrischen Lichtbogen und einem niederenergetischen Laser geschmolzen wird. Dieser hybride Ansatz hilft dabei, eine stabilere Schmelze zu erzeugen, als dies mit einem elektrischen Lichtbogen allein möglich wäre. Doch die wahre Innovation liegt in dem, was unmittelbar nach dem Auftragen jeder Schicht geschieht. Anstatt das heiße Metall natürlich abkühlen zu lassen, ließ das Team eine schwere Walze über die frische Schicht laufen, während diese noch warm war. Dieser als Mikrowalzen bekannte Prozess ebnet die Oberfläche ein und übt Druck auf das Metall aus. Die Forscher wollten sehen, ob dieser einfache Akt des Walzens die internen Mängel beheben und die Festigkeit des fertigen Aluminiumteils verbessern kann.

Das Team fertigte Testblöcke aus dem 2319er Aluminiumlegierungsdraht an und erstellte Proben sowohl mit als auch ohne den Walzschritt. Anschließend untersuchten sie diese Blöcke genau, um zu sehen, was im Inneren des Metalls geschah. Ohne das Walzen kühlte das Metall in eine Struktur ab, die von langen, säulenartigen Kristallen dominiert wurde, die nach oben wuchsen, ähnlich wie Eiskristalle in einem Gefrierfach entstehen könnten. Diese langen Kristalle sowie ein Netzwerk aus spröden, netzartigen Mustern, die durch das Mischen von Kupfer und Aluminium entstanden, schufen Schwachstellen im Material. Auch die Oberfläche dieser ungewalzten Proben war uneben, mit kleinen Vertiefungen und Wellen, die durch den Schweißlichtbogen hinterlassen wurden. Als die Forscher den Walzprozess anwandten, änderten sich die Ergebnisse dramatisch. Der Druck der Walze ebnete die Oberfläche, entfernte die Wellen und schuf eine glatte, ebene Basis für die nächste Schicht. Viel wichtiger war, dass der mechanische Druck die langen, säulenartigen Kristalle und die spröden Netzmuster aufbrach. An ihrer Stelle bildete das Metall winzige, gleichmäßige und runde Körner, die gleichmäßig im gesamten Material verteilt waren.

Diese Transformation in der internen Struktur des Metalls hatte eine direkte und messbare Auswirkung auf dessen Festigkeit. Die Forscher fanden heraus, dass die gewalzten Proben signifikant härter und stärker waren als die ungewalzten. Im Durchschnitt stieg die Härte des gewalzten Metalls um 4,6 Prozent, und seine Fähigkeit, dem Auseinanderziehen zu widerstehen – bekannt als Zugfestigkeit – verbesserte sich um 9,13 Prozent. Das Metall wurde zudem konsistenter; die Variationen in der Festigkeit von einem Punkt zum anderen wurden reduziert, was bedeutet, dass das Bauteil unter Belastung berechenbarer reagiert. Der Walzprozess half auch dabei, winzige Lufteinschlüsse, oder Poren, zu eliminieren, die oft während des Schmelzvorgangs im Metall gefangen werden. In den ungewalzten Proben waren diese Poren größer und neigten dazu, sich zu Clustern zusammenzufinden, was wie Schwachstellen wirkte, an denen Risse entstehen konnten. In den gewalzten Proben waren diese Poren viel kleiner und gleichmäßig verteilt, was es wesentlich schwieriger machte, dass ein Riss entsteht und wächst.

Der Grund für diese Verbesserung liegt darin, wie das Metall auf den Druck und die Hitze reagierte. Als die Walze auf das warme Metall drückte, zwang sie die Atome zur Neuordnung und die Kristalle zur Zerteilung in kleinere Stücke. Dieser Prozess erzeugte eine hohe Dichte an internen Defekten, sogenannten Versetzungen, die als Barriere gegen Bewegung wirken und das Metall schwerer verformbar machen. Als die nächste Schicht geschmolzenes Metall darüber hinzugefügt wurde, wirkte die Hitze dieser neuen Schicht wie eine sanfte Temperbehandlung, die es dem Metall ermöglichte, sich in eine neue, feinere Struktur einzupendeln, ohne die Vorteile des Drucks zu verlieren. Auch die Elemente Kupfer und Mangan innerhalb der Legierung, die manchmal verklumpen und Schwachstellen verursachen können, wurden durch das Walzen gleichmäßiger verteilt. Diese gleichmäßige Verteilung verhinderte die Bildung großer, spröder Cluster, die das Bauteil hätten schwächen können. Die Forscher beobachteten, dass die Richtung, in die die Metallkristalle wuchsen, weniger dominant wurde, was die Tendenz verringerte, dass das Material in einer Richtung stark, aber in einer anderen schwach ist.

Letztlich zeigt die Studie, dass das Hinzufügen eines einfachen Walzschritts zum Herstellungsprozess ein Standard-Aluminiumteil in eine Hochleistungskomponente verwandeln kann. Durch die Verfeinerung der internen Kornstruktur und das Entfernen von Defekten zeigten die Forscher, dass es möglich ist, die Einschränkungen der traditionellen additiven Fertigung für diese spezifische Legierung zu überwinden. Die Ergebnisse legen nahe, dass dieser kombinierte Ansatz einen praktischen Weg bietet, um große, komplexe Aluminiumteile herzustellen, die nicht nur leicht, sondern auch stark genug für die anspruchsvollsten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigung sind. Die Arbeit bestätigt, dass die Kontrolle des physikalischen Zustands des Metalls während des Abkühlens genauso wichtig ist wie die Hitze, die zum Schmelzen verwendet wird, und bietet Ingenieuren ein neues Werkzeug, um bessere Maschinen zu bauen.