AlSi10Mg aluminiumlegeringspoeder voor additieve vervaardiging

AlSi10Mg is een bijna-eutectische aluminium-silicium-magnesiumlegering die wellicht het meest gebruikte en best begrepen aluminiumpoeder is op het gebied van metaal additieve fabricage (AM), met name in Laser Powder Bed Fusion (LPBF) processen. De populariteit ervan komt voort uit een uitstekende combinatie van goede printbaarheid, hoge sterkte-gewichtsverhouding, thermische eigenschappen en kosteneffectiviteit.

Oorspronkelijk ontwikkeld voor traditioneel gieten (waar het bekend staat als A360), is de samenstelling ervan uitermate geschikt voor de snelle stollingseigenschappen van 3D-printen, wat resulteert in fijne, stabiele microstructuren en superieure mechanische eigenschappen in vergelijking met zijn gegoten tegenhanger.

De samenstelling wordt nauwkeurig gecontroleerd om optimale prestaties te garanderen. Een standaard samenstelling die voldoet aan normen zoals ASTM B928 / AMS 4345 is:

• Uitstekende Printbaarheid: Het Al-Si eutectische systeem heeft een relatief breed vriesbereik, wat restspanningen en de neiging tot warmtescheuren (stollingsscheuren) tijdens het LPBF-proces minimaliseert. Dit maakt het een van de meest vergevingsgezinde en betrouwbare aluminiumlegeringen om te printen.
• Goede Sterkte en Hardheid: In de "as-printed" toestand biedt het behoorlijke mechanische eigenschappen. Het ware potentieel wordt echter ontsloten door warmtebehandeling (zie Sectie 5).
• Hoge Thermische Geleidbaarheid: Vertoont een goede thermische geleidbaarheid, waardoor het geschikt is voor toepassingen zoals warmtewisselaars, koelplaten en elektronische behuizingen.
• Lage Dichtheid (~2.67 g/cm³): Biedt een hoge sterkte-gewichtsverhouding, wat cruciaal is voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en de robotica waar gewichtsbesparing van essentieel belang is.
• Goede Corrosiebestendigheid: Biedt respectabele weerstand tegen atmosferische corrosie, vergelijkbaar met andere aluminium-siliciumlegeringen.

De kwaliteit van het poeder is net zo belangrijk als de chemische samenstelling. Belangrijke poedereigenschappen zijn onder meer:

• Deeltjesgrootteverdeling (PSD): Typisch varieert van 15 tot 63 micron voor standaard LPBF-systemen. Sommige systemen kunnen een nauwere verdeling gebruiken (bijv. 20-45 µm) voor een fijnere detailresolutie.
• Morfologie: Deeltjes moeten bolvormig zijn om een goede vloeibaarheid te garanderen, wat essentieel is voor het creëren van een uniforme, dichte poederbedlaag na laag. Niet-bolvormige deeltjes kunnen leiden tot slechte herbekleding, wat leidt tot defecten.
• Vloeibaarheid: Gemeten met Hall Flowmeter (bijv. < 35 s/50g). Goede vloeibaarheid zorgt voor een consistent en betrouwbaar printproces.
• Schijnbare Dichtheid/Tapdichtheid: Hoge dichtheid (>50% van de theoretische) duidt op een goede pakkingsefficiëntie, wat leidt tot een hogere einddichtheid van het onderdeel.
• Laag Vocht- en Oxidegehalte: Poeder moet worden opgeslagen en behandeld in een droge, gecontroleerde atmosfeer (vaak in een argon-omgeving) om oxidatie en waterstofopname te voorkomen, wat porositeit in de geprinte onderdelen kan veroorzaken.

De snelle afkoelsnelheden (~10^5 - 10^6 K/s) in LPBF creëren een zeer fijne, niet-evenwichtsmicrostructuur. Het bestaat uit een oververzadigde aluminiummatrix (α-Al) met een extreem fijn cellulair/dendritisch netwerk van silicium. Deze fijne structuur draagt bij aan de goede "as-printed" sterkte.

Warmtebehandeling wordt gebruikt om de mechanische eigenschappen af te stemmen op specifieke toepassingen.

• Spanningsvermindering (T1): Een lage temperatuur annealing (~300°C gedurende 2 uur) om interne restspanningen van het bouwproces te verminderen zonder de microstructuur significant te veranderen.
• Directe Veroudering (T5): Het onderdeel wordt kunstmatig verouderd (bijv. 160-180°C gedurende 4-12 uur) direct na het printen. Dit precipiteert fijne Mg₂Si-deeltjes in de matrix, waardoor de sterkte en hardheid toenemen en vervorming wordt geminimaliseerd.
• Oplossingswarmtebehandeling en Veroudering (T6): Dit is de meest voorkomende behandeling voor maximale sterkte. Het onderdeel wordt opgelost bij een hoge temperatuur (~520-540°C), afgeschrikt en vervolgens verouderd. Dit proces maakt het siliciumnetwerk grover (waardoor de ductiliteit enigszins afneemt), maar maximaliseert de precipitatieharding, wat de hoogste treksterkte en hardheid oplevert.

AlSi10Mg is veelzijdig en wordt in tal van industrieën gebruikt:

• Lucht- en Ruimtevaart: Beugelcomponenten, satellietonderdelen, droneframes en niet-structurele cabinecomponenten.
• Automotive: Lichtgewicht beugels, motoronderdelen (bijv. inlaatspruitstukken), warmtewisselaars en op maat gemaakte hydraulische fittingen.
• Industrieel: Robot-end-effectors, mallen, armaturen en lichtgewicht automatiseringscomponenten.
• Thermisch Beheer: Koelplaten, koude platen voor elektronica en koelkanalen voor mallen (conforme koeling).
• Prototyping: Functionele prototypes die metaalachtige eigenschappen vereisen voor testen.

• Uitstekende printbaarheid en hoge bouwslaagpercentages.
• Goede specifieke sterkte (sterkte-gewichtsverhouding).
• Gunstige thermische eigenschappen.
• Op grote schaal beschikbaar en goed gedocumenteerd.
• Kosteneffectief in vergelijking met andere hoogwaardige AM-legeringen (bijv. Scalmalloy®).

• Matige Ductiliteit: Vooral in de T6-toestand is de rek bij breuk lager dan bij sommige gesmede aluminiumlegeringen.
• Niet voor Hoogtemperatuurtoepassingen: Mechanische eigenschappen verslechteren aanzienlijk boven ~200°C als gevolg van het grover worden van versterkende precipitaten.
• Anisotrope Eigenschappen: Mechanische eigenschappen kunnen enigszins verschillen in de verticale (bouw) richting in vergelijking met de horizontale richting als gevolg van de laag-voor-laag aard van AM.