3D-gedruckte Superlegierung könnte Kohlenstoffemissionen von Kraftwerken verringern

Während die Welt nach Möglichkeiten sucht, die Treibhausgasemissionen zu senken, haben Forscher der Sandia National Laboratories gezeigt, dass eine neue 3D-gedruckte Superlegierung Kraftwerken helfen könnte, mehr Strom zu erzeugen und gleichzeitig weniger Kohlenstoff zu produzieren.

Sandia-Wissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit Forschern des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der Bruker Corp. mit einem 3D-Drucker eine Hochleistungsmetalllegierung oder Superlegierung mit einer ungewöhnlichen Zusammensetzung hergestellt, die sie stärker und leichter macht als die derzeit in Gasturbinen verwendeten modernen Materialien. Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf den Energiesektor sowie die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie haben und weisen auf eine neue Klasse ähnlicher Legierungen hin, die noch entdeckt werden müssen.

“Wir zeigen, dass mit diesem Material bisher unerreichte Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und hoher Temperaturbeständigkeit möglich sind”, sagte Andrew Kustas, Wissenschaftler bei Sandia. “Wir glauben, dass wir dies zum Teil durch den additiven Fertigungsansatz erreicht haben.”

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Applied Materials Today.

Material widersteht großer Hitze, wichtig für Kraftwerksturbinen

Nach Angaben der U.S. Energy Information Administration stammen etwa 80 % der Elektrizität in den USA aus fossilen Brennstoffen oder Kernkraftwerken. Beide Arten von Anlagen sind auf Wärme angewiesen, um die Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben. Der Wirkungsgrad von Kraftwerken wird dadurch begrenzt, wie heiß die Metallteile der Turbinen werden können. Wenn die Turbinen bei höheren Temperaturen arbeiten können, “kann mehr Energie in Strom umgewandelt werden, während gleichzeitig weniger Abwärme an die Umwelt abgegeben wird”, sagte Sal Rodriguez, ein Sandia-Nuklearingenieur, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Die Experimente von Sandia haben gezeigt, dass die neue Superlegierung – 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal – bei 800 Grad Celsius fester ist als viele andere Hochleistungslegierungen, einschließlich der derzeit für Turbinenteile verwendeten, und dass sie noch fester ist, wenn sie wieder auf Raumtemperatur gebracht wird.

“Dies ist also ein Gewinn für eine wirtschaftlichere Energieversorgung und für die Umwelt”, sagte Rodriguez.

Der Energiesektor ist nicht die einzige Branche, die von den Ergebnissen profitieren könnte. Forscher in der Luft- und Raumfahrt suchen nach leichten Materialien, die auch bei großer Hitze stabil bleiben. Nic Argibay, Wissenschaftler am Ames Lab, sagte, dass Ames und Sandia mit der Industrie zusammenarbeiten, um zu erforschen, wie solche Legierungen in der Automobilindustrie eingesetzt werden könnten.

“Die elektronische Strukturtheorie unter der Leitung des Ames Lab konnte ein Verständnis für die atomaren Ursprünge dieser nützlichen Eigenschaften liefern, und wir sind nun dabei, diese neue Klasse von Legierungen zu optimieren, um die Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierbarkeit zu bewältigen”, so Argibay.

Das Energieministerium und das Laboratory Directed Research and Development Programm von Sandia finanzierten die Forschung.

Entdeckung unterstreicht Veränderungen in der Materialwissenschaft

Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist als vielseitige und energieeffiziente Fertigungsmethode bekannt. Eine gängige Drucktechnik verwendet einen Hochleistungslaser, um ein Material, in der Regel einen Kunststoff oder ein Metall, im Schnellverfahren zu schmelzen. Der Drucker trägt dann dieses Material schichtweise auf und baut ein Objekt auf, während das geschmolzene Material schnell abkühlt und sich verfestigt.

Diese neue Forschungsarbeit zeigt jedoch, wie die Technologie auch als schnelle, effiziente Methode zur Herstellung neuer Materialien eingesetzt werden kann. Die Mitglieder des Sandia-Teams verwendeten einen 3D-Drucker, um pulverförmige Metalle schnell zu schmelzen und dann sofort eine Probe davon zu drucken.

Die Kreation von Sandia stellt auch einen grundlegenden Wandel in der Entwicklung von Legierungen dar, da kein einzelnes Metall mehr als die Hälfte des Materials ausmacht. Im Vergleich dazu besteht Stahl zu etwa 98 % aus Eisen, das mit Kohlenstoff und anderen Elementen kombiniert ist.

“Eisen und eine Prise Kohlenstoff haben die Welt verändert”, sagte Kustas. “Es gibt viele Beispiele dafür, dass wir zwei oder drei Elemente kombiniert haben, um eine nützliche technische Legierung herzustellen. Jetzt fangen wir an, vier oder fünf oder mehr Elemente in einem einzigen Material zu kombinieren. Und dann wird es aus materialwissenschaftlicher und metallurgischer Sicht wirklich interessant und herausfordernd.”

Skalierbarkeit und Kosten sind zu bewältigende Herausforderungen

In Zukunft möchte das Team untersuchen, ob fortschrittliche Computermodellierungsverfahren den Forschern helfen könnten, weitere Mitglieder einer neuen Klasse von Hochleistungs-Superlegierungen zu entdecken, die für die additive Fertigung geeignet sind.

“Es handelt sich um extrem komplexe Mischungen”, sagte Sandia-Wissenschaftler Michael Chandross, ein Experte für Computermodellierung auf atomarer Ebene, der nicht direkt an der Studie beteiligt war. “All diese Metalle interagieren auf mikroskopischer, ja sogar auf atomarer Ebene, und diese Interaktionen sind es, die wirklich bestimmen, wie stark ein Metall ist, wie formbar es ist, wie hoch sein Schmelzpunkt ist und so weiter. Unser Modell nimmt der Metallurgie viel von ihrem Rätselraten, weil es all das berechnen kann und es uns ermöglicht, die Leistung eines neuen Materials vorherzusagen, bevor wir es herstellen.”

Laut Kustas gibt es noch einige Herausforderungen. Zum einen könnte es schwierig sein, die neue Superlegierung in großen Mengen ohne mikroskopisch kleine Risse herzustellen, was eine allgemeine Herausforderung bei der additiven Fertigung darstellt. Außerdem seien die Materialien, aus denen die Legierung besteht, teuer. Die Legierung eignet sich daher möglicherweise nicht für Konsumgüter, bei denen es in erster Linie darauf ankommt, die Kosten niedrig zu halten.

“Trotz all dieser Vorbehalte: Wenn das Verfahren skalierbar ist und wir daraus ein Massenprodukt herstellen können, ist das ein echter Durchbruch”, so Kustas.

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