Seit einigen Jahren ist die additive Fertigung (AM, Additive Manufacturing) von metallischen Werkstoffen ein stark wachsender Forschungsbereich in der Werkstoffwissenschaft. Unter den vielen unterschiedlichen Prozessen, die der Begriff Additive Fertigung einschließt, hat das pulverbett-basierte Laserstrahlschmelzen (LPBF, Laser Powder Bed Fusion) das Interesse vieler Industriezweige geweckt. Insbesondere Luft- und Raumfahrtunternehmen versuchen mit ambitionierten Projekte die Grenzen dieses Fertigungsverfahrens zu verschieben, um so die Vorteile des LPBF im industriellen Maßstab zugänglich zu machen. Aus diesem Grund werden adaptierte Legierungssysteme auf den Markt gebracht, um den besonderen Prozess-Charakteristiken Rechnung zu tragen. Eine der ersten Legierungen, die für den Prozess maßgeschneidert wurde, ist eine von Airbus auf der Basis der Al5083 entwickelte AlMgMnScZr-Legierung (kommerziell vertrieben unter dem Namen Scalmalloy®). Um den Werkstoff für die Verwendung in ermüdungsbeanspruchten Flugzeugstrukturen zu qualifizieren, ist jedoch ein umfassendes Wissen über das Legierungssystem im Hinblick auf Prozessierbarkeit, Mikrostruktur und Verhalten bei mechanischer Belastung notwendig.
Die Mikrostruktur von additiv gefertigten Werkstoffen ist stark von der chemischen Zusammensetzung der Legierung abhängig. Aus diesem Grund wurde eine initiale Studie mit den unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen von Scalmalloy® (Mg als Hauptlegierungselement), Scancromal® (Cr als Hauptlegierungselement) und Scantital® (Ti als Hauptlegierungselement) durchgeführt, um den Einfluss des Hauptlegierungselements auf die Mikrostruktur abzuschätzen. Trotz des hohen Sc- und Zr-Gehalts aller Legierungen und damit der starken kornfeinenden Wirkung der primären Ausscheidungen konnte im Cr-haltigen Legierungssystem ein epitaktisches Kornwachstum beobachtet werden. Durch die Variation des Hauptlegierungselements konnten somit drei unterschiedliche Mikrostrukturen eingestellt und untersucht werden: ultrafeinkörnig (Scantital®), bimodal (Scalmalloy®) und epitaktisches Kornwachstum (Scancromal®).
Neben der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs ist besonders die Adaption der Prozessparameter ein kritischer Punkt für die Herstellung von Hochleistungsbauteilen. Insbesondere der hohe Mg-Anteil von Scalmalloy® – ein Element das einen niedrigen Dampfdruck aufweist und somit bedingt durch die hohen Prozesstemperaturen stark abdampft – macht eine spezifische Belichtungsstrategie notwendig, die die Interaktion zwischen Metalldampf und Laser so gering wie möglich hält. Im Zusammenspiel dieser Belichtungsstrategie mit einem optimierten Einschweißprofil konnte eine außerordentliche Werkstoffqualität erzeugt werden, deren Ermüdungseigenschaften, jene von konventionellen Al-Legierungen aus der Luftfahrt übertreffen. Des Weiteren konnte bei dieser Prozessführung mit Bauraumheizung – zuerst simulativ und anschließend experimentell – nachgewiesen werden, dass sich bereits im Prozess festigkeitssteigernde sekundäre Ausscheidungen bilden. Das hat zur Folge, dass der Zustand direkt nach der additiven Fertigung bereits Festigkeiten im Bereich des T6-Wärmebehandlungszustands aufweist und somit eine nachgelagerte Wärmebehandlung nicht mehr notwendig ist.
Da der hier untersuchte Prozess lagenweise mit einem Schweißprozess Material aufträgt, muss auch mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für Defekte gerechnet werden. Um ein Verständnis für die Versagensmechanismen aufzubauen und die Effekte dieser Defekte abschätzen zu können, ist eine bruchmechanische Betrachtung des Werkstoffs unumgänglich. Es konnte gezeigt werden, dass das bi-modale Gefüge einen starken Einfluss sowohl auf das quasi-statische Verhalten, als auch auf die Ermüdungseigenschaften und das Risswachstum besitzt. Ebenso konnten mit Hilfe der bruchmechanischen Betrachtung die Folgen von prozessbedingten Defekten beschrieben und vorhergesagt werden.