Forschende entwickeln ermüdungsfreies Verfahren für 3D-gedruckte Titanlegierung

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Profs. Zhang Zhefeng und Zhang Zhenjun vom Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine Strategie zur Herstellung einer ermüdungsfreien 3D-gedruckten Titanlegierung entwickelt, bei der die Mikrostruktur und die Defekte separat reguliert werden, die so genannte “net-additive manufacturing preparation” (NAMP).

Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, gilt als bahnbrechende Technologie im Produktionssektor. Allerdings hat die mangelhafte Ermüdungsbeständigkeit von 3D-gedruckten Materialien unter zyklischer Belastung – im Vergleich zu traditionell hergestellten Materialien – ihre Anwendung als strukturelle Komponenten in kritischen Bereichen wie der Raumfahrt und Luftfahrt stark eingeschränkt.

In ihrer Studie, basierend auf vorherigen Ermüdungsvorhersagetheorien, präsentieren die Forschenden ein neues Konzept: 3D-gedruckte Mikrostrukturen besitzen eine natürlicherweise hohe Ermüdungsresistenz. Die geringe Ermüdungsleistung von 3D-Materialien könnte jedoch durch die negativen Effekte von Mikroporen, die durch den aktuellen Druckprozess induziert werden, überschattet sein.

Um dieses Konzept zu überprüfen, entwickelten sie den Net-Additive Manufacturing Process (NAMP), der ein Heißisostatisches Pressen (HIP) zur Eliminierung der Mikroporen und eine anschließende Hochtemperatur-Kurzzeit (HTSt) Wärmebehandlung umfasst. Diese Prozesse stellen die AM-Mikrostruktur mit feinem Martensitgefüge wieder her, was erfolgreich eine nahezu porenfreie Net-AM-Mikrostruktur in der Titanlegierung wiederherstellt.

Interessanterweise weist die Net-AM-Mikrostruktur eine bemerkenswert hohe Ermüdungsresistenz auf, die alle anderen additiv hergestellten und sogar geschmiedeten Titanlegierungen übertrifft. Sie zeigt auch die weltweit höchste spezifische Ermüdungsfestigkeit (d.h., Ermüdungsfestigkeit/Dichte) aller berichteten Materialien.

Die Ermüdungsrissbildung der mittels NAMP-Prozess vorbereiteten Mikrostrukturen erfolgt normalerweise an sauberen primären β-Korngrenzen und feinem Martensitgefüge, was viele traditionelle Ermüdungsschwächen erfolgreich vermeidet und die lokale Schadensakkumulation verhindert, was zu einer extrem hohen Ermüdungsresistenz führt.

Diese Studie enthüllt die natürliche hohe Ermüdungsresistenz der 3D-gedruckten Mikrostruktur und die potenziellen Vorteile der 3D-Drucktechnologie bei der Produktion von strukturellen Komponenten. Sie weist auch klare Richtungen für die Ermüdungsfestigkeitsfertigung im 3D-Druck aus.