Wissenschaftler der Korea Maritime and Ocean University entwickeln Defektarme Hochleistungswerkstoffe

Funktional gradierte Werkstoffe (FGM) sind Hochleistungswerkstoffe, die in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Verteidigung und in der Medizin eingesetzt werden sollen, weil diese in der Regel unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen eingesetzt werden können, weshalb es wichtig ist, dass sie so fehlerfrei wie möglich sind. Forscher der Korea Maritime and Ocean University haben nun einen Weg gefunden, Defekte in FGMs zu minimieren.

Laut der Studie kann die Manipulation des Gradientenverhältnisses der Komponentenmaterialien während der gerichteten Energiedeposition zu hochleistungsfähigen Funktionsmaterialien mit minimalen Defekten führen.

Materialien, die in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Medizintechnik und im Verteidigungsbereich eingesetzt werden, müssen extrem rauen Umgebungen standhalten. Kleine Fehler in den Materialien, z. B. Risse, können zu katastrophalen Folgen und massiven wirtschaftlichen Verlusten führen. Die meisten Werkstoffe können jedoch solch hohen Temperaturen und Drücken nicht standhalten. Multimaterialien wie funktional abgestufte Werkstoffe (FGM), die verschiedene Materialien kombinieren, um eine bessere Leistung zu erzielen, sind in dieser Situation ideal.

Multimaterialien werden in der Regel durch additive Fertigung hergestellt, bei der Schichten aus verschiedenen Materialien übereinander aufgetragen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien kommt es jedoch häufig zu Rissen und Poren an den Grenzschichten. FGMs versuchen, diese Risse zu reduzieren, indem sie einen “Gradienten” für die Veränderung der Zusammensetzung über das Volumen des Materials schaffen.

Forscher der Korea Maritime and Ocean University haben nun einen Weg gefunden, ein hochleistungsfähiges FGM aus Inconel 718 und rostfreiem Stahl (STS) 316L zu synthetisieren und dessen Defekte zu minimieren. Ihre Ergebnisse wurden im Journal of Materials Research and Technology veröffentlicht.

Professor Do-Sik Shim, der die Studie leitete, erklärte: “Inconel 718 hat hervorragende Eigenschaften, ist aber teuer. Indem wir es mit STS 316L mischen, um ein Hochleistungs-FGM herzustellen, haben wir nicht nur seine technischen und kommerziellen Vorteile verbessert, sondern auch seine wirtschaftliche Machbarkeit”.

Für ihre Arbeit hat das Forscherteam STS 316L mit einer 3D-Drucktechnik namens “gerichtete Energiedeposition” auf Inconel 718 aufgebracht. Sie erzeugten drei Arten von FGM: nicht abgestufte (NG), bei denen eine STS-Schicht direkt auf Inconel aufgebracht wurde, abgestufte (10) und abgestufte (25), die einen Mischungsgradienten von 10 % bzw. 25 % aufwiesen. Sie stellten fest, dass beim Typ NG häufig Risse an den Grenzflächen auftraten, während bei Graded (10) und Graded (25) nur in bestimmten Bereichen Risse auftraten, die auf einen Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (ein Übergang in der Mikrostruktur des FGM), auf Ausscheidungen oder auf den Einbau von Titan-, Aluminium- oder Chromverunreinigungen zurückzuführen waren. Sie stellten außerdem fest, dass der Typ Graded (25) die höchste Zugfestigkeit und Dehnung aufwies.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von FGM in hohem Maße vom Gradientenverhältnis der Komponenten abhängen, wodurch das Potenzial besteht, minimale oder sogar keine Defekte in FGMs zu erreichen. “Diese Erkenntnisse werden zu Verbesserungen in diesem Bereich führen, wie z. B. zu geringeren Kosten, längerer Lebensdauer der Komponenten in Geräten und verbesserter Funktionalität”, sagt Professor Shim. Die Zukunftspläne des Forschungsteams sehen vor, das neue FGM für die Herstellung komplexer Formteile mit Hilfe von AM-Technologien zu nutzen.

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