Development of aluminium alloys with superior properties for additive manufacturing

Abstract

Selektiv laser smelting og andre pulverbaserte 3D-printing-metoder kan produsere komponenter med høy geometrisk kompleksitet og med suverene fysiske egenskaper. Den høye avkjølingshastigheten fører til en finkornet struktur og gjør det mulig å få en matriks overmettet på legeringselementer. Sammenlignet med tradisjonelle metoder er det få kommersielt tilgjengelige legeringer egnet for additiv tilvirking og mange av de brukte legeringen er gamle støpelegeringer modifisert for additiv tilvirkning. For at additiv tilvirking skal nå sitt fulle potensial må nye legeringer utvikles. En plate med en gradientfilm bestående av aluminium, silisium og krom, produsert med fysisk dampavsetning, ble overflatesmeltet med en laser. Lasersmeltingen imiterer forholdene til selektiv laser smelting og gir en lignende mikrostruktur. Hardhetsmålinger av overflaten viste en trend med økende hardhet med økende innhold av silisium og krom. En kartlegging av sprekkdannelse på overflaten visste sprekkdannelse i et lite legeringsintervall. To legeringer, Al-Si12.6-Cr10.6 and Al-Si9.9-Cr10.6, viste en lovende mikrostruktur med fine partikler jevnt fordelt i strukturen.

To aluminium-silisium-kobber-legeringer ble utviklet og støpt i en kileformet kobber-støpeform. Den høye avkjølingshastighet i tuppen av den kileformede støpeformen etterligner forholdene i pulverproduksjon, mens den etterfølgende lasersmelting imiterer forholdene til selektiv laser smelting. De omsmeltede sonene til begge legeringer hadde betydelige mindre korn enn bulkmaterialet og likeaksede kornstruktur ble oppnådd.

Additive manufacturing (AM) techniques such as selective laser melting (SLM) and other powder bed fusion (PBF) methods is widely used to produce components with high geometric complexity and excellent physical properties. Ultra-high cooling rates make it possible to create a fine-grained structure and supersaturate the matrix with alloying elements. However, compared to traditional techniques, few alloys are readily available for AM, and many alloys used in AM are based on modified cast alloys. New alloys need to be developed for AM to reach its true potential. In this master project a research focus has been put on the development of Al-Si based alloys with superior properties. In the first part, with the aim to determine optimal chemical compositions, a thin film of Al-Si-Cr with a concentration gradient was deposited onto an aluminium substrate by using physical vapour deposition (PVD). Laser surface remelting of the film was performed to mimic the SLM conditions. Characterization of the remelted zones revealed pores and cracks in certain alloys, however desirable microstructures were also found. Hardness mapping showed an increased hardness with increasing content of silicon and chromium. Two alloys, Al-Si12.6-Cr10.6 and Al-Si9.9-Cr10.6, showed a promising microstructure with small and evenly distributed particles in the remelted zone.

In the second part, two aluminium-silicon-copper alloys were designed and cast in a wedge-shaped copper mould. The high cooling rate in the tip of the wedge casting and the subsequent laser surface remelting were used to mimic the SLM process, from powder production to fabrication of components. A significant grain refinement was achieved in the laser remelted zone of both alloys. As a result the remelted zone show a much higher hardness than the bulk material.