ORNL-Forschende erhalten Auszeichnungen für fortschrittliche Legierungsentwicklung

Pierce wurde für die Entwicklung des 3Cr-XHTS-Stahls ausgezeichnet, einer Legierung aus Chrom und weiteren Elementen.

“Wir hatten eine großartige Zusammenarbeit mit Cummins, die es uns ermöglicht hat, das einzigartige Fachwissen von ORNL und Cummins zusammenzubringen, um 3Cr-XHTS zu entwickeln”, sagte Pierce. “Ich habe mich für unser gesamtes Team gefreut, dass wir nach vier Jahren harter Arbeit und einigen aufregenden Ergebnissen anerkannt wurden.”

3Cr-XHTS-Stahl wurde für den Einsatz in Kolben entwickelt, die hohen Temperaturen, hohen Belastungen und langen Verschleißperioden für Hochleistungs-Verbrennungsmotoren der nächsten Generation mit höherem Wirkungsgrad standhalten können. Die derzeit modernste Stahllegierung für Kolben von Hochleistungsmotoren, 4140-Stahl, ist auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Metallspitzentemperaturen unter 500 C liegen, so dass das Material für den Einsatz in künftigen Motoren mit höheren Temperaturen nicht ausreicht.

“Für die Kolbenanwendung mussten wir einen Stahl entwickeln, der nicht nur fest und oxidationsbeständig bei hohen Temperaturen ist, sondern auch die Wärme gut leiten muss. Einer der Zwecke der Wärmeleitung besteht darin, die Temperatur an der Verbrennungsoberfläche des Kolbens niedrig genug zu halten, damit das Material während des Betriebs nicht versagt”, so Pierce. “Diese Eigenschaften stehen oft im Widerspruch zueinander, d. h., wenn eine Eigenschaft verbessert wird, können andere verschlechtert werden, und unser Team musste diese metallurgische Herausforderung meistern.

Im Vergleich zum aktuell fortschrittlichsten 4140-Stahl weist 3Cr-XHTS eine um 143% höhere Ermüdungsfestigkeit und eine etwa 75°C höhere maximale Betriebstemperatur auf. Forscher*innen stellten aus 3Cr-XHTS Kolbenböden her, die den härtesten Motortest von Cummins bestanden.

Zusätzlich wurden bei der jährlichen Verdienstüberprüfung das DuAlumin-3D-Forschungsteam des ORNL für die Entwicklung von DuAlumin-3D, einer leichten Aluminiumlegierung, ausgezeichnet.

“Aluminiumlegierungen waren für uns ein wirklich interessantes Problemfeld”, sagt Plotkowski, leitender F&E-Mitarbeiter und Leiter des Projekts. “Die größte Herausforderung besteht darin, dass herkömmliche Aluminium-Knetlegierungen, die wir weltweit am häufigsten verwenden und die auch die attraktivsten Eigenschaften haben, mit additiver Fertigung nur schwer zu verarbeiten sind.”

Die Legierung überwindet herkömmliche Herausforderungen und hält den extremen thermischen Bedingungen der additiven Fertigung stand.

Mit Hilfe von DuAlumin-3D wurden bereits Kolben gedruckt, die erfolgreich einen schweren Motorentest im ORNL absolvierten. DuAlumin-3D verdankt seinen Namen den doppelten Verstärkungsmechanismen, die durch die schnelle Erstarrung des 3D-Laserdrucks in Kombination mit einer kurzen Wärmebehandlung ermöglicht werden.

In weniger als drei Jahren entwickelte sich die Technologie von einem Konzept zu ihrem heutigen Stand als praktikabler Werkstoff für additiv gefertigte Prototypen und Produkte.

“Es war notwendig, zusammenzuarbeiten, um dieses Projekt zu verwirklichen”, sagte Plotkowski. “Meiner Meinung nach ist es ein Beispiel für eine einzigartige Sache, die das ORNL tun kann und die nur wenige andere Organisationen auf der Welt tun können, weil wir diese unterschiedlichen Fähigkeiten zusammenbringen. Wir sind in der Lage, Menschen aus der gesamten Organisation zur Mitarbeit zu bewegen.”

Zusammen mit General Motors und Honda Performance Development wird die Legierung für den Einsatz in Fahrzeugkomponenten weiterentwickelt.

Das ORNL-Team und seine Partner erhielten ebenfalls einen F&E 100 Award 2022 für DuAlumin-3D.

Weitere Teammitglieder, die ausgezeichnet wurden, sind Amit Shyam, Ryan Dehoff, J. Allen Haynes, Larry F. Allard, Sumit Bahl, Ying Yang, Jon Poplawsky, Bill Peter, Derek Splitter und Jiheon Jun vom ORNL, Richard Michi von Owens Corning, der zuvor beim ORNL tätig war, und Kevin Sisco von der University of Tennessee, Knoxville.