Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMFür urformende Verfahren wie Gießen und Additive Fertigung fehlen hochfeste Legierungen, die mit Knetlegierungen konkurrieren können. Im Projekt HAlUr wurden neue Aluminiumlegierungen auf Basis der Systeme Al-Co, Al-Ni und Al-Ca, die Festigkeiten von bis zu 500 MPa bei Raumtemperatur und 150 MPa bei 300 °C erreichen, entwickelt. Durch eine innovative Kombination aus atomistischer Simulation, thermodynamischer Modellierung und experimentellem Rapid Alloy Development (RAD) mittels Laserauftragschweißen wurde die Legierungsentwicklung drastisch beschleunigt.
Hoch(warm)feste Aluminiumlegierungen für das Urformen im Leichtbau
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Gießen und pulverbettbasierte Additive Fertigung (LPBF) bieten durch hohe geometrische Freiheitsgrade und monolithische Fertigung enormes Leichtbaupotenzial. Doch für diese urformenden Verfahren stehen heute fast ausschließlich Al-Si-Legierungen zur Verfügung, deren Festigkeit mit 200–250 MPa nur halb so hoch ist wie die hochfester Knetlegierungen. Die einzige hochfeste LPBF-Legierung Scalmalloy® (ca. 500 MPa) ist wegen des seltenen und teuren Scandiums für Serienanwendungen unwirtschaftlich. Zudem nimmt die Festigkeit konventioneller Gusslegierungen oberhalb von 200 °C drastisch ab, was ein gravierendes Defizit für Motorkomponenten und andere thermisch beanspruchte Bauteile darstellt.
HAlUr verfolgte die Entwicklung grundlegend neuer Aluminiumlegierungen auf Basis der bislang kaum erforschten eutektischen Systeme Al-Co, Al-Ni und Al-Ca. Diese Basissysteme bieten gegenüber Al-Si eine höhere Grundfestigkeit und ermöglichen durch gezielte Zugabe aushärtender und mischkristallverfestigender Elemente ein Eigenschaftsprofil von ≥ 500 MPa bei Raumtemperatur (bei ≥ 10 % Bruchdehnung) sowie ≥ 150 MPa bei 300 °C. Der methodische Kern ist die enge Verzahnung von digitaler Materialmodellierung (Thermodynamik, DFT, Atomistik) mit experimentellem Rapid Alloy Development (RAD) mittels Laserauftragschweißen (LMD).
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Digitale Materialmodellierung und Legierungsentwicklung
Mittels thermodynamischer Methoden (CALPHAD) wurden Phasendiagramme, Schmelzintervalle, Löslichkeiten und Phasenstabilitäten der neuen Al-Co-, Al-Ni- und Al-Ca-Basissysteme mit verschiedenen Legierungszusätzen berechnet. Ergänzend kamen atomistische Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT, VASP, Quantum ESPRESSO) zum Einsatz, um physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften wie Gitterstabilität, Kohäsionsenergien und Korrosionsbeständigkeit vorherzusagen.
LPBF-Prozesssimulation
Das Fraunhofer IWM brachte eine eigenentwickelte partikelbasierte Simulationstechnik (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) für den LPBF-Prozess ein. Diese erlaubt die 3D-Simulation des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens auf Pulverpartikelskala unter Berücksichtigung von Energieeintrag, Wärmeleitung, Oberflächenspannung und Marangoni-Strömung. Damit konnten Porosität, Heißrissneigung und Oberflächenrauheit der neuen Legierungen prozessspezifisch vorhergesagt und Hinweise für die Prozessführung abgeleitet werden
Werkstoffcharakterisierung, Demonstratorprüfung und Bewertung
Dies umfasst Gefügeanalysen (REM/EDX/EBSD, XRD, Lichtmikroskopie), die Ermittlung mechanischer Kennwerte (Zugfestigkeit, Warmzugfestigkeit, Bruchdehnung, Schwingfestigkeit) sowie thermophysikalische Charakterisierungen.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Beschleunigte, simulationsgestützte Legierungsentwicklung
Kombinierte Methodik aus thermodynamischer Modellierung (CALPHAD), atomistischer Simulation (DFT/MD) und experimentellem Rapid Alloy Development zur drastischen Verkürzung der Entwicklungszeiten neuer Legierungen. - Atomistisches Screening von Legierungszusätzen
High-Throughput-Berechnungen zur Vorhersage des Einflusses einzelner Legierungselemente auf Festigkeit, Warmfestigkeit, Rissneigung und Korrosionsbeständigkeit. - Prozesssimulation für LPBF auf Partikelskala (SPH)
Vorhersage von Porosität, Heißrissneigung und Oberflächenrauheit für neue Legierungen und veränderte Prozessparameter. - Umfassende Werkstoffcharakterisierung für Guss- und AM-Legierungen
Mikrostrukturanalyse, mechanische Prüfung (RT und Hochtemperatur), Schwingfestigkeit und Korrelation von Gefüge, Prozess und Eigenschaften. - Digitale Materialdatenräume und Workflow-Integration
Aufbau strukturierter, prozess- und werkstoffspezifischer Datenbanken, die simulationsbasierte und experimentelle Ergebnisse verknüpfen und für automatisierte Auswertungen zugänglich machen.