Kalifornische Forscher entwickeln neue rissfeste Superlegierung auf Nickelbasis für den 3D-Druck
Ein Team von Forschern der UC Santa Barbara und des Oak Ridge National Laboratory hat eine neue fehlerresistente Superlegierung für den 3D-Druck von Metallen entwickelt.
In einer Pressemeldung erklärt die Universität, dass in den letzten Jahren große Fortschritte im 3D-Druck mit Laser- und Elektronenstrahlen gelungen sind. So können komplexe Formen erzeugt werden, die mit konventioneller Fertigung nicht erreicht werden können. Bei der additiven Fertigung für metallische Werkstoffe werden feinste Pulverpartikel – jedes etwa zehnmal feiner als ein Sandkorn – in “Pools” im Submillimeterbereich geschmolzen und verschmolzen, die durch die Fokussierung eines Laser- oder Elektronenstrahls auf das Material entstehen.
“Die hochfokussierten Strahlen bieten eine exquisite Kontrolle und ermöglichen ein ‘Tuning’ der Eigenschaften an kritischen Stellen des gedruckten Objekts”, erklärt Tresa Pollock, Professorin für Materialien und stellvertretende Dekanin des College of Engineering an der UC Santa Barbara. “Leider sind viele hochentwickelte metallische Legierungen, die in extrem hitzeintensiven und chemisch korrosiven Umgebungen verwendet werden, wie sie in Energie-, Raumfahrt- und Nuklearanwendungen vorkommen, nicht mit dem AM-Prozess kompatibel.”
Die Herausforderung, neue AM-kompatible Materialien zu entdecken, war für die Wissenschaftlerin Pollock, die auf dem Gebiet der modernen metallischen Werkstoffe und Beschichtungen forscht, unwiderstehlich. “Das war interessant”, erklärt sie, “weil eine Reihe von hochkompatiblen Legierungen die Produktion von metallischen Werkstoffen mit hohem wirtschaftlichem Wert – d. h. Materialien, die teuer sind, weil ihre Bestandteile in der Erdkruste relativ selten sind – verändern könnte, indem sie die Herstellung geometrisch komplexer Designs mit minimalem Materialabfall ermöglicht.”
“Die meisten sehr hochfesten Legierungen, die in extremen Umgebungen eingesetzt werden, können nicht gedruckt werden, weil sie rissig werden”, so Pollock weiter. “Sie können in ihrem flüssigen Zustand reißen, wenn ein Objekt noch gedruckt wird, oder im festen Zustand, nachdem das Material entnommen und einigen thermischen Behandlungen unterzogen wurde. Das hat verhindert, dass man mit Legierungen, die wir derzeit in Anwendungen wie Flugzeugtriebwerken einsetzen, neue Konstruktionen drucken kann, die zum Beispiel die Leistung oder Energieeffizienz drastisch erhöhen könnten.”
In einem Artikel in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreibt Pollock nun in Zusammenarbeit mit Carpenter Technologies, dem Oak Ridge National Laboratory, den UCSB-Mitarbeitern Chris Torbet und Gareth Seward sowie den UCSB-Doktoranden Sean Murray, Kira Pusch und Andrew Polonsky eine neue Klasse von Superlegierungen, die dieses Problem der Rissbildung überwinden und daher vielversprechend sind, um die Verwendung von AM zur Herstellung komplexer Einzelkomponenten für den Einsatz in hochbelasteten Hochleistungsumgebungen voranzutreiben.
Die Forschung wurde durch ein Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) in Höhe von 3 Millionen Dollar unterstützt, das Pollock 2017 vom US-Verteidigungsministerium erhielt. Das VBFF ist die prestigeträchtigste Auszeichnung des Verteidigungsministeriums für einen einzelnen Forscher und unterstützt Grundlagenforschung, die einen transformativen Einfluss haben könnte.
In der Arbeit beschreiben die Autoren eine neue Klasse hochfester, defektresistenter, 3D-druckbarer Superlegierungen, definiert als typischerweise nickelbasierte Legierungen, die ihre Materialintegrität bei Temperaturen von bis zu 90 % ihres Schmelzpunkts beibehalten. Die meisten Legierungen brechen bei 50 % ihrer Schmelztemperatur auseinander. Diese neuen Superlegierungen enthalten etwa zu gleichen Teilen Kobalt (Co) und Nickel (Ni), sowie kleinere Mengen anderer Elemente. Diese Werkstoffe eignen sich sowohl für den rissfreien 3D-Druck mittels Elektronenstrahlschmelzen (EBM) als auch für die anspruchsvolleren Laser-Pulver-Bett-Verfahren, was sie für die Vielzahl von Druckmaschinen, die auf den Markt kommen, sehr nützlich macht.
Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen sind Superlegierungen auf Nickelbasis das Material der Wahl für Strukturkomponenten wie einkristalline Turbinenschaufeln und Schaufeln, die in den Heißbereichen von Flugzeugtriebwerken verwendet werden. Bei einer Variante einer Superlegierung, die das Team entwickelt hat, erklärt Pollock: “Der hohe Kobaltanteil ermöglichte es uns, Eigenschaften in den flüssigen und festen Zustand der Legierung einzubauen, die sie mit einer breiten Palette von Druckbedingungen kompatibel machen.”
Die Entwicklung der neuen Legierung wurde durch frühere Arbeiten erleichtert, die im Rahmen von NSF-finanzierten Projekten durchgeführt wurden, die mit der nationalen Materials Genome Initiative abgestimmt sind, die das grundlegende Ziel hat, die Forschung zu unterstützen, um die großen Herausforderungen der Gesellschaft zu bewältigen, indem fortschrittliche Materialien “doppelt so schnell zur Hälfte der Kosten” entwickelt werden.
Die komplette Arbeit ist unter dem Titel “A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing” erschienen.