Forscher aus Russland präsentieren 3D-Druck mit Bronze-Stahl-Legierung

Forscher der russischen Skoltech haben mit einem 3D-Drucker Proben von Bronze-Stahl-Legierungen hergestellt, die in der Materialwissenschaft bisher unbekannt waren. Die neuartigen Legierungen, welche die unterschiedlichen Eigenschaften von Bronze und Stahl vereinen, könnten zur Herstellung von Brennkammern für Flugzeug- und Raketentriebwerke verwendet werden.

“Der 3D-Druck ist vielversprechend für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, die mit den Eigenschaften der beiden unterschiedlichen Materialien, aus denen der Verbundwerkstoff besteht, ausgestattet sind”, erklärt Igor Shishkovsky, Associate Professor bei Skoltech Materials. “Nehmen wir zum Beispiel an, dass Stahl den hohen Temperaturen standhält, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem laufenden Motor entstehen. Das ist großartig, aber im Vergleich zu Bronze ist Stahl ein bescheidener Wärmeleiter, so dass das Kühlmittel des Motors die Wärme nicht so effektiv ableiten kann, um Überhitzung und Schäden zu vermeiden. Mit dem 3D-Druck kann man das Beste aus beiden Welten kombinieren, indem man eine Verbrennungskammer herstellt, die nahtlos von Bronze auf der Innenseite für ein besseres Temperaturmanagement zu Stahl auf der Außenseite übergeht, um die Struktur zusammenzuhalten.”

Shishkovsky war der Hauptautor der Studie, in der über die allererste Synthese einer Bronze-Stahl-Legierung mit Hilfe einer 3D-Drucktechnik, der so genannten direkten Laserdeposition, berichtet wurde, bei der pulverförmige Bestandteile durch einen Laserstrahl an jeder einzelnen Stelle des Metallteils geschmolzen und verschmolzen werden, während es gerade entsteht. Das Skoltech-Team hat Bronze und Stahl auf zwei verschiedene Arten kombiniert und dabei sowohl sogenannte quasi-homogene Legierungen als auch Sandwich-Strukturen erhalten. Bei ersteren sind die beiden Werkstoffe mehr oder weniger gleichmäßig in der Probe vermischt, während letztere aus einer Reihe von abwechselnd 0,25 Millimeter dicken Schichten aus Bronze und Stahl bestehen. Die Forscher verwendeten eine Stahlsorte, variierten aber deren Anteil an der Legierung von 25 % bis 50 % und experimentierten mit drei verschiedenen gängigen Bronzesorten.

Die Studie bestätigt, dass die beiden Materialien gut miteinander verschmolzen sind, ohne dass sich Defekte bilden, und untersucht die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der Bronze-Stahl-Legierung. Dazu ließ das Team vertikale Stäbe von unten nach oben wachsen und untersuchte deren Form, chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur.

“Wenn etwas schief geht, kann sich die Form der Probe sichtbar verformen oder sie kann während des 3D-Drucks in Schichten zerbrechen. Das bedeutet in der Regel, dass entweder die verwendeten Materialien nicht geeignet sind oder die Bedingungen nicht richtig eingestellt wurden”, erklärt Shishkovsky.

Da in diesem Stadium keine Probleme auftraten, schnitten die Forscher winzige Stücke aus verschiedenen Teilen der Proben heraus und untersuchten ihre innere Struktur mit optischer und Rasterelektronenmikroskopie. Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften wurden dann in einer Vielzahl mechanischer Tests an Sandwich-Verbundwerkstoffen ermittelt, die bis zu ihrer Zerstörung fortgesetzt wurden. Über diese Eigenschaften wird zum ersten Mal berichtet.

Der Erstautor der Studie, Konstantin Makarenko, ein Doktorand im vierten Jahr bei Skoltech Materials, sagte: “Jetzt, da wir bestätigt haben, dass Stahl und Bronze in einer Legierung kombiniert werden können und mit dem 3D-Druck durch direkte Laserabscheidung kompatibel sind, und da wir die mechanischen Eigenschaften des neuen Materials kennen, können wir seine möglichen Anwendungen untersuchen. In Zukunft möchte ich bei Skoltech eine Brennkammer aus Stahl und Bronze herstellen und testen, aber darüber hinaus sind auch andere Teile und Metallkombinationen möglich. Der nächste Schritt wäre die Herstellung von Turbinenschaufeln aus einer verstärkten Superlegierung mit Kühlkanälen aus Bronze. Es geht darum, die Vorteile zweier unterschiedlicher Werkstoffe in einem nahtlosen Produkt ohne Schweiß- oder andere Verbindungsstellen zu kombinieren.”

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