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NASA entwickelt neues Material für Hochtemperaturanwendungen

NASA-Innovatoren haben vor kurzem mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens eine neue Metalllegierung entwickelt, die die Festigkeit und Haltbarkeit von Komponenten und Teilen, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, drastisch verbessert, was zu einer besseren und länger anhaltenden Leistung führt.

Die NASA-Legierung GRX-810, eine oxiddispersionsgehärtete (ODS) Legierung, kann Temperaturen von über 2.000 Grad Celsius standhalten, ist besser verformbar und hält mehr als 1.000 Mal länger als bisherige, dem Stand der Technik entsprechende Legierungen. Diese neuen Legierungen können für die Herstellung von Teilen für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, z. B. in Flugzeug- und Raketentriebwerken, da ODS-Legierungen härteren Bedingungen standhalten können, bevor sie ihre Bruchgrenze erreichen.

„Die nanoskaligen Oxidpartikel vermitteln die unglaublichen Leistungsvorteile dieser Legierung“, sagte Dale Hopkins, stellvertretender Projektleiter des NASA-Projekts Transformational Tools and Technologies.

Es ist schwierig und teuer, ODS-Legierungen für diese extremen Umgebungen herzustellen. Um die NASA-Legierung GRX-810 zu entwickeln, verwendeten die Forscher der Behörde Berechnungsmodelle, um die Zusammensetzung der Legierung zu bestimmen. Anschließend nutzte das Team den 3D-Druck, um nanoskalige Oxide gleichmäßig in der Legierung zu verteilen, was zu verbesserten Hochtemperatureigenschaften und dauerhafteren Leistungen führt. Dieses Herstellungsverfahren ist effizienter, kostengünstiger und sauberer als herkömmliche Herstellungsverfahren.

Auswirkungen und Vorteile

Diese Legierungen haben große Auswirkungen auf die Zukunft der nachhaltigen Luftfahrt. Bei der Verwendung in einem Düsentriebwerk führen die höhere Temperatur und die verbesserte Haltbarkeit der Legierung zu einem geringeren Treibstoffverbrauch und niedrigeren Betriebs- und Wartungskosten.

Diese Legierung bietet den Konstrukteuren von Triebwerksteilen auch neue Möglichkeiten, wie leichtere Materialien in Verbindung mit enormen Leistungssteigerungen. Die Konstrukteure können jetzt Kompromisse eingehen, die sie vorher nicht in Betracht ziehen konnten, ohne dass die Leistung darunter leidet.

Eine Revolution in der Materialentwicklung

Die neuen Legierungen der NASA bieten verbesserte mechanische Eigenschaften bei extremen Temperaturen. Bei 2.000° F zeigt GRX-810 bemerkenswerte Leistungsverbesserungen im Vergleich zu den derzeit modernsten Legierungen, darunter:

  • Doppelte Festigkeit, um Brüchen zu widerstehen
  • Dreieinhalbmal so hohe Flexibilität, um sich vor dem Bruch zu dehnen/zu biegen
  • Eine mehr als 1.000-fache Haltbarkeit unter Belastung bei hohen Temperaturen

„Dieser Durchbruch ist für die Werkstoffentwicklung revolutionär. Neuartige, stärkere und leichtere Materialien spielen eine Schlüsselrolle, wenn die NASA die Zukunft des Fliegens verändern will. Bisher hat eine Erhöhung der Zugfestigkeit in der Regel die Fähigkeit eines Materials verringert, sich zu dehnen und zu biegen, bevor es bricht, weshalb unsere neue Legierung bemerkenswert ist“, so Hopkins.

Kopplung von additiver Fertigung und Materialmodellierung

Das Team wandte thermodynamische Modellierung an und nutzte den 3D-Druck, um die neue Hochtemperaturlegierung zu entwickeln, die diese bahnbrechende Leistung erbrachte.

„Die Anwendung dieser beiden Verfahren hat die Entwicklung unserer Materialien drastisch beschleunigt. Wir können jetzt neue Materialien schneller und mit besserer Leistung als zuvor herstellen“, sagte Tim Smith, ein Materialforscher am Glenn Research Center der NASA in Cleveland und einer der Erfinder dieser neuen Legierung.

„Was früher Jahre dauerte und durch Versuch und Irrtum zustande kam, ist jetzt eine Sache von Wochen oder Monaten, um Entdeckungen zu machen“, fügte Hopkins hinzu.

Mit Hilfe der thermodynamischen Modellierung, einem der vielen in der NASA-Vision 2040-Studie erörterten Berechnungsinstrumente, fand das Team die optimale Legierungszusammensetzung nach nur 30 Simulationen heraus.

Dieses Modellierungswerkzeug liefert Ergebnisse in viel kürzerer Zeit und mit geringeren Kosten als herkömmliche Trial-and-Error-Verfahren. Das Tool vermeidet auch Sackgassen, indem es den Forschern nicht nur zeigt, welche Metallarten zu verwenden sind, sondern auch, wie viel von jedem Element in die Zusammensetzung eingebracht werden muss.

„Die Leistung dieser Legierung ist ein klarer Beweis für die Reife des Modellierungswerkzeugs und seine Fähigkeit, aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen“, sagte Steve Arnold, Leiter der technischen Disziplin Werkstoffe und Strukturen bei der NASA Glenn.

Diese neue Legierung ist nur ein Beispiel dafür, wie das Projekt Transformational Tools and Technologies durch Grundlagenforschung und bereichsübergreifende Werkzeuge innovative Lösungen liefert.

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