US-Forschende stellen ultrastarke Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung her

Ein Team der Purdue University haben ein zum Patent angemeldetes Verfahren zur Entwicklung ultrahochfester Aluminiumlegierungen entwickelt, die sich aufgrund ihrer plastischen Verformbarkeit für die additive Fertigung eignen.

Das Team unter der Leitung von Haiyan Wang und Xinghang Zhang, beide Professoren an der School of Materials Engineering der Purdue University, hat Übergangsmetalle wie Kobalt, Eisen, Nickel und Titan in Aluminium eingebracht. Diese Metalle wurden mittels nanoskaliger, lamellenförmiger und verformbarer Intermetallverbindungen in das Aluminium integriert. Diese neue Methode ermöglicht es, ultrastarke und gleichzeitig hochverformbare Aluminiumlegierungen zu entwickeln, die sich besonders für den Einsatz im 3D-Druck eignen. Anyu Shang, ein Absolvent der Materialwissenschaften, vervollständigt das Team.

“Unsere Arbeit zeigt, dass die richtige Einführung von heterogenen Mikrostrukturen und nanoskaligen Intermetalliken mit mittlerer Entropie eine alternative Lösung für die Entwicklung von ultrastarken, verformbaren Aluminiumlegierungen durch additive Fertigung bietet”, sagte Xinghang Zhang. “Diese Legierungen verbessern die herkömmlichen, die entweder ultrastark oder hoch verformbar sind, aber nicht beides.”

Die Innovation wurde dem Purdue Innovates Office of Technology Commercialization gemeldet, das beim US-Patent- und Markenamt ein Patent beantragt hat, um das geistige Eigentum zu schützen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem US Office of Naval Research unterstützt.

Leichtgewichtige, hochfeste Aluminiumlegierungen werden in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie eingesetzt. Allerdings sind die meisten kommerziell verfügbaren hochfesten Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung ungeeignet, da sie anfällig für Heißrisse sind, die zu Materialfehlern führen können. Eine traditionelle Methode zur Vermeidung von Heißrissen ist die Einführung von Partikeln, die die Bewegungen von Versetzungen behindern und somit die Festigkeit erhöhen. Diese Legierungen erreichen jedoch in der Regel nur eine Festigkeit von 300 bis 500 Megapascal, während Stähle typischerweise 600 bis 1.000 Megapascal erreichen.

Die Forschenden der Purdue University haben es geschafft, durch die Verwendung von Übergangsmetallen wie Kobalt, Eisen, Nickel und Titan, intermetallisch verstärkte additive Aluminiumlegierungen herzustellen.

“Diese intermetallischen Werkstoffe haben Kristallstrukturen mit geringer Symmetrie und sind bei Raumtemperatur bekanntermaßen spröde”, so Shang. “Aber unsere Methode formt die Übergangsmetallelemente zu Kolonien von intermetallischen Lamellen im Nanomaßstab, die sich zu feinen Rosetten zusammenlagern. Die nanolaminierten Rosetten können die Sprödigkeit der Intermetalle weitgehend unterdrücken”.

Wang sagte: “Außerdem enthalten die heterogenen Mikrostrukturen harte nanoskalige Intermetalle und eine grobkörnige Aluminiummatrix, die erhebliche Gegenspannungen hervorruft, die die Kaltverfestigung von metallischen Werkstoffen verbessern können. Die additive Fertigung mit einem Laser kann ein schnelles Schmelzen und Abschrecken ermöglichen und so nanoskalige Intermetalliken und deren Nanolaminate einbringen.”

Das Forschungsteam hat sowohl makroskopische Drucktests als auch Mikrosäulentests und Nachdeformationsanalysen an den entwickelten Aluminiumlegierungen durchgeführt. Die makroskopischen Tests zeigten eine Kombination aus ausgeprägter plastischer Verformbarkeit und hoher Festigkeit von mehr als 900 Megapascal. Die Mikrosäulentests wiesen signifikante Rückspannungen in allen Bereichen auf, wobei bestimmte Bereiche Fließspannungen von über einem Gigapascal erreichten.

Diese neuen Erkenntnisse und Methoden zur Herstellung von ultrahochfesten Aluminiumlegierungen könnten die additive Fertigung revolutionieren und neue Möglichkeiten für den Einsatz dieser Materialien in verschiedenen Industrien eröffnen.