Das Ziel des Forschungsvorhabens war, neue Materialien für die additive Fertigung zu entwickeln. Der Einsatz von Materialkombinationen im Pulver war vorgesehen, um Teile mit hoher Festigkeit und Leitfähigkeit durch Laserstrahlschmelzen (LBM) zu produzieren. Um dies zu erzielen, wurden die Pulver mittels PVD mit geeigneten Elementen bei Materia Nova (Belgien) beschichtet. Ziel war es, Pulver herzustellen, die aus Cu-Verbundwerkstoffen bestehen, wie z.B. Cu + Nb, W, Ta, Cr, Mo. Die Legierungen sind aushärtbar und sollen durch eine feine Verteilung der unlöslichen Legierungselemente eine hohe Härte und elektrische/thermische Leitfähigkeit erreichen. Schmelzmetallurgisch lassen sich aber solche Legierungen aus unlöslichen bzw. minimal löslichen Systemen nur sehr schwierig oder gar nicht homogen herstellen. Um die Pulver herzustellen, wurden daher verschiedene Ansätze verfolgt: Beschichtung durch PVD, mechanisches Legieren und anschließend Plasma-Sphäroidisieren, und Plasma-Sprühen von Suspensionen. Die Legierungsbildung sollte während der Verarbeitung mit LBM erfolgen.
Im Laufe des Projekts untersuchte das fem die Verarbeitbarkeit von beschichteten und unbeschichteten Cu-Legierungspulvern mit LBM, auch unter Verwendung eines schnellen Screening-Methode auf der Basis von Blechen anstelle von Pulver. Es wurden mehrere Pulver getestet, darunter handelsübliche, unbeschichtete CuNiSiCr- und CuCrZr-Pulver, beschichtete CuNiSiCr- und CuCrZr-Pulver (sowohl mit Nb als auch Cr) sowie W-beschichtetes reines Kupferpulver. Für alle oben genannten Legierungspulver wurden Prozessparameter für eine optimale Verarbeitbarkeit bei einer Laserleistung bis zu 380 W entwickelt. Als Technologiedemonstrator wurde eine Spule für einen innovativen Leichtbau-Elektromotor (entwickelt vom KMU Unicorn Engineering) sowohl mit den CuNiSiCr- als auch mit den CuCrZr-Legierungspulvern hergestellt.
Um das Potenzial geeigneter Werkstoffpaarungen schnell beurteilen zu können, wurde ein einfaches Prüfverfahren mit beschichteten Blechen etabliert. Bleche aus vier verschiedenen Werkstoffen (reines Cu, CuCrZr, CuNiSiCr und CuNiAl-Legierung) wurden bei Materia Nova in Belgien durch PVD im kaltgewalzten Zustand mit fünf verschiedenen Elementen (Cr, Mo, Nb, Ta, W) beschichtet und dem fem zur Verfügung gestellt. Die beschichteten Bleche wurden einmalig in der LPBF-Anlage belichtet und die entstehenden Schmelzspuren metallographisch ausgewertet (Schmelzbreite, -tiefe und Legierungsbildung/-ausscheidung). Unbeschichtete Bleche wurden als Referenz jeweils identisch behandelt. Diese Screening-Methode ermöglichte eine schnelle Bewertung der Beschichtungswirkung und diente der Auswahl der am besten geeigneten Werkstoffpaarungen für nachfolgende Pulverbeschichtungen.
Die Elemente Cr, Nb und W erwiesen sich aufgrund ihrer günstigen Wirkung auf die Energieabsorption und der beobachteten Bildung von Ausscheidungen im Gefüge als die am besten geeigneten Kandidaten für die Pulverbeschichtung (welche bei Materia Nova in Belgien stattfand). Als Substrat wurden die kommerziell erhältlichen Legierungspulver CuCrZr und CuNiSiCr (die vom Industriepartner Schmelzmetall zur Verfügung gestellt wurden) sowie für reines Cu (welches bei Fraunhofer Umsicht verdüst wurde) ausgewählt.
LBM von beschichteten und unbeschichteten Pulvern
Es wurde eine Parameterstudie mit den unbehandelten CuNiSiCr- und CuCrZr-Pulver durchgeführt, um die Parameter für eine optimale Dichte festzulegen: dabei wurde die Pulverschichtstärke konstant gehalten (0,025 mm), während Laserleistung (95-480 W), -geschwindigkeit (100-1400 mm/s) und Spurabstand (0,025-0,085 mm) variiert wurden.
Im Vergleich zu den unbehandelten Pulvern weisen die mit Nb / Cr beschichteten eine höhere Absorption auf. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Laserleistung von 250–200 W, einer Geschwindigkeit von 600–900 mm/s und einem Spurabstand von 0,055 mm erzielt (0,02–0,04% Porosität ; Abb 1).
Die REM-Untersuchung der Oberfläche der aus CuNiSiCr/ CuCrZr + Nb / Cr hergestellten Teile zeigte fein verteilte Verunreinigungen. EDX-Messungen an diesen Flächen ergaben jeweils erhöhte Gehalte an Nb / Cr und Sauerstoff. Die REM-Untersuchung der metallographischen Schliffen ergab fein verteilte Punkte im Gefüge beider Legierungen (siehe Abb. 2): EDX-Messungen konnten an den entsprechenden Stellen erhöhte Gehalte an Nb, Cr, Ni, Si und Sauerstoff feststellen, was auf Oxid- und Ausscheidungsbildung hinweist.
Die Beschichtung mit W auf ReinCu bewirkte eine sehr hohe Absorption und die Verarbeitbarkeit des Materials wurde dadurch stark erhöht. Mit 380 W, 800 mm/s, Spurabstand 0,055–0,066 mm wurde in den Bauteilen eine Porosität <1% erzielt. Mit denselben Parametern weisen Bauteile aus ReinCu ohne Beschichtung hingegen ~16 % Porosität auf.
Untersuchung an Probekörpern: Messung der physikalischen Eigenschaften
Um die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Materialien zu messen, wurden kleine Platten (14 x 14 x 2,8 mm) mit den optimalen Laserparametern hergestellt. An diesen Platten wurden die Vickershärte und die elektrische Leitfähigkeit für drei Materialzustände gemessen: im Ausgangszustand, lösungsgeglüht und lösungsgeglüht und anschließend ausgelagert. Die elektrische Leitfähigkeit wurde mit der Wirbelstromprüfung an geschliffenen Proben gemessen.
Die Optimierung der Schichtdicke, der Verarbeitungsbedingungen und der Wärmebehandlung nach der LBM-Behandlung ist wichtig für eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die Bildung von Ausscheidungen war das Ziel des Forschungsansatzes, der darin bestand, die Menge eines nicht mischbaren Elements in der Legierung durch PVD-Beschichtung zu erhöhen und nach der LBM-Verarbeitung fein verteilte Ausscheidungen zu erhalten (wie in Abbildung 2 zu sehen), um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Teile zu verbessern. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um den physikalischen Prozess und das Zusammenspiel von Beschichtung, LBM-Verfahren und Nachbehandlung zu verstehen, um optimale Eigenschaften zu erzielen.
Die Beschichtung von reinem Cu mit W sorgte für eine erhöhte Energieabsorption und ermöglichte die Bearbeitung des Materials mit einer geringeren Laserleistung (< 380 W), während normalerweise ein LBM-System mit einem 1000-W-Laser erforderlich wäre, um eine Dichte von 99 % zu erreichen. Solche LBM-Systeme haben jedoch einen größeren Laserspot (z.B. 70–100 µm) und sind nicht in der Lage, feine und detaillierte Strukturen wie die in diesem Projekt hergestellten zu erzeugen. Reines Cu ist (aufgrund seiner Instabilität bei der LBM-Bearbeitung) derzeit als Material für die additive Fertigung industriell nicht weit verbreitet, und in dieser Hinsicht lassen sich die Kosten der PVD-Behandlung durch die bessere Bearbeitbarkeit des des Materials rechtfertigen.
Additive Fertigung eines Demonstrators
Für den Bau von Demonstratoren wurde die Geometrie einer Spule für hocheffiziente Elektromotoren (entworfen vom KMU und Projektpartner Unicorn Engineering GmbH) gewählt. Die Spule findet ihre Anwendung in einem eisenfreien Elektromotor mit Leichtgewicht und hohem Wirkungsgrad für mobile Anwendungen. Das Bauteil wurde sowohl mit CuNiSiCr- als auch mit CuCrZr-Legierungen gebaut.
Acknowledgement
PONAMP ist ein Cornet-Projekt, das von nationalen Agenturen, die Mitglieder des Cornet-Netzwerks sind, finanziert wird: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) / Bundesministerium für Wirtschaft und Klimapolitik / Service Public de Wallonie – DGO6 (SPW)
