Herstellung Metallischer Gläser durch additive ...werkstoffwoche.de/fileadmin/user_upload/DGM_Vortrag_Kleszczynski.pdf · Motivation Laserstrahlschmelzen: Potenzial zur Herstellung

Dipl.-Ing. Stefan Kleszczynski ￭ 16.09.2015

Herstellung Metallischer Gläser durch

additive Laserstrahlschmelzverfahren

Agenda

Motivation

Metallische Gläser

Parameterstudie

Mikrostruktur

Zusammenfassung und Ausblick

Motivation

Laserstrahlschmelzen:

Potenzial zur Herstellung komplexer und individueller metallischer

Bauteile

Bereits erste erfolgreiche industrielle Anwendungen, u.a. in Medizintechnik, Werkzeug-

und Formenbau, Luftfahrt

Zahlreiche konventionelle Legierungen auf Fe-, Al-, Ti- und Ni-Basis qualifiziert

Teils erweisen sich die verfahrenstypischen hohen Abkühlgradienten (103 – 106 K/s ohne

Vorwärmung) als problematisch

Eigenspannung, Bauteilverzug, Rissbildung, …

Idee:

Möglichkeit zur gezielte Ausnutzung der prozesseigenen hohen Abkühlgradienten zur

Herstellung von Ungleichgewichtszuständen

Herstellung, bzw. Verarbeitung Metallischer Gläser

© Universität Duisburg-Essen Dipl.-Ing. Stefan Kleszczynski 19.10.2015

Metallische Gläser


[nach Telford]

Amorphe Metalle

Rasche Abkühlung der Schmelze erforderlich

Übergang in den festen Zustand ohne

Kristallisation

Spezifisches Volumen ändert sich kaum

Abkühlraten 100 – 109 K/s

Bei reinen Metallen 109 K/s erforderlich

Einzigartige Eigenschaften

Neuartig Materialklasse

Restriktionen bei Herstellung, bzw.

Formgebung

[A brief overview of bulk metallic glasses - Chen]

Metallische Gläser

19.10.2015www.uni-due.de/en

Empirische Regeln nach Inoue:

Multikomponentensystem mit 3 oder mehr Legierungselementen

höhere Komplexität der Kristalle

Reduzierung des energetischen Vorteils geordneter Strukturen

Stark unterschiedlicher Atomradius der Hauptbestandteile der Legierungen

Dr/r > 12 % (größter Einfluss)

Höhere Packungsdichte, geringeres freies Volumen in der Schmelze

Volumenzuwachs für Kristallisation benötigt

negative Mischungsenthalpie der Elemente

vermindert das Diffusionsvermögen

erhöht den Temperaturbereich der unterkühlten Schmelze

tiefer eutektischer Punkt (bei binären Legierungen)

geringere Schmelztemperatur

Metallische Gläser

[The Case for bulk metallic glass - Telford]


Metallische Gläser

Amorpher Gefügeaufbau

Hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Elastizität

Hervorragende Korrosionsbeständigkeit

Hohe Härte und Verschleißbeständigkeit

Keine Schrumpfung bei der Abkühlung

(Formgenaue Bauteilherstellung möglich)

Besondere weichmagnetische Eigenschaften

(niedrige Koerzitivfeldstärke, hoher elektrischer

Widerstand, niedrige Wirbelstromverluste)

Anwendungen (bisher nur in Nischen)

Sportartikel (z.B. Golfschläger)

Medizintechnik (z. B. Skalpell)

Elektronikprodukte (z. B.

Warensicherungsetiketten)

Schmuck und Luxusartikel


[Liquidmetal]

[Liquidmetal]

[nach Telford]

Metallische Gläser

Ähnlich wie bei kristallinen

Legierungen zahlreiche amorphe

Legierungsgruppen

Unterschiedliche mechanisch-

technologische Kennwerte je nach

Legierungsgruppe

Gemeinsamkeiten:

Dehngrenze im Bereich ~ 2 %

Kristalline Legierungen ~ 0,65 %

Idealer Federwerkstoff

Kaum plastische Verformung;

extrem spröde nach

Überschreitung der Dehngrenze

Bei Rekristallisation Verlust der

Eigenschaften [Bulk Metallic Glasses – Miller]


Metallische Gläser

Konventionelle Herstellung:

Melt-Spinning (a)

Vacuum- oder Druckgussverfahren (a)

Thermoplastische Umformung (b)

Erste Ansätze zur additiven Herstellung:

LENS, LMD, SLM, EBM

Bisher kein Nachweis über vollständig amorphe

Mikrostruktur

Kristallisation in WEZ

Verfügbarkeit Pulverwerkstoff

Prozessverhalten


[Microstructural Analysis of a Laser-Processed Zr-Based Bulk Metallic Glass – Sun] [Processing of ‚Bulk Metallic Glass – Schroers]

Parameterstudie


Anlage: EOSINT M 270

Kommerzielle Laserstrahlschmelzanlage

200 W Faserlaser

N2-Schutzgasatmosphäre

Bildgebungssystem zur Prozessdokumentation

Material: Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5

Gute Glasbildungsfähigkeit

Kein hochreines Zr für Legierungssynthese erforderlich

Erschmelzen und Abgießen in Stabform am Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe,

Universität des Saarlandes (Prof. Busch)

Gasverdüsen unter Argon durch externen Dienstleister

[Processing of a bulk metallic glass forming alloy based on industrial grade Zr – Heinrich, Busch]

Parameterstudie

Nur wenig Pulvermaterial verfügbar (ca. 300 g)

„manueller“ Pulverauftrag

Einzelbelichtung

Meist sphärisches Pulver

d50 ≈ 30 µm

Substratmaterial Al

Keine Supports

Zylindrische Testkörper

Variation des Energieeintrags

Schichtstärke 20 µm

Bauhöhe 2 mm


1

2

3

4

A B

𝐸𝑣 =𝑃𝑙

𝑣𝑠 ℎ 𝑑𝑠

Ev

Mikrostruktur


A1

Cu-reiche

Ausscheidung

A3Pore

Zr-reiche

Ausscheidung

A4

A2

Mikrostruktur


Zr-Nb

VorlegierungAl 0.15

Cu 1.63

Zr 96.08

Nb 2.14

Amorphe MatrixAl 10.22

Cu 28.76

Zr 58.81

Nb 2.21

Pore

Mikrostruktur


Pulver

SLM

DSC Messung:

vernachlässigbarer Unterschied in der Kristallisations-

enthalpie von Pulver und laserstrahlgeschmolzener

Probe A1

Keine zusätzliche Kristallisation während des

Laserstrahlschmelzprozesses

Kristallinen Anteile stammen wahrscheinlich aus Zr-Nb

Vorlegierung

Legierung nicht ausreichend homogenisiert

Unterschied zur amorphen Referenzprobe beträgt ca. 7,3 %

Mikrostruktur


Probe A1

Referenzprobe

XRD Messung:

Nur wenige Peaks im XRD-Spektrum

Stammen Teils aus Material des Probenhalters

Hoher Anteil amorpher Phase

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Erste Parameterstudie zur Verarbeitung einer Zr-Basis Legierung aus der Gruppe der

Metallischen Massivgläser

Verarbeitbarkeit nachgewiesen

nichtsphärische Poren innerhalb des Gefüges

Zr- und Cu-reiche Ausscheidungen

Versprödung an Grenzfläche zu Substrat

Amorphes Matrixgefüge nachgewiesen

Restkristallinität durch Ausscheidung aus Vorlegierung

Homogenisierung erforderlich

Weitere Untersuchungen mit neuer Pulvercharge

Ausblick

Anpassung des Temperaturprofils des Prozesses

Modifikation der Legierungszusammensetzung



Dipl.-Ing. Stefan Kleszczynski

[email protected]

+49 203 379 1268

Universität Duisburg-Essen

Institut für Produkt Engineering

Lehrstuhl für Fertigungstechnik

www.uni-due.de/fertigungstechnik

Lotharstr. 1

47057 Duisburg

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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