Wissenschaftlern ist ein neuer Durchbruch gelungen, indem sie die 3D-Drucktechnologie auf Titanlegierungen angewendet haben. Dadurch konnte die Festigkeit des Materials verdoppelt und sein Anwendungspotenzial in der Luft- und Raumfahrt erweitert werden.
Die neue Titanlegierung zeichnet sich durch eine rekordverdächtige Dauerfestigkeit aus. Foto: iStock
Die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) beschrieb die Forschungsergebnisse in einer Studie, die am 28. Februar in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Die Forschung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen den Wissenschaftlern Zhang Zhenjun und Zhang Zhefeng vom Shenyang Materials Science Laboratory des CAS Institute for Materials Research und Robert Ritchie von der University of California, Berkeley. Laut Artikel entstand die Forschungsidee in China, und auch die Materialproben wurden dort hergestellt. Ritchie war an der Bewertung des Prozesses beteiligt.
Obwohl der 3D-Druck die Fertigung revolutioniert hat, wird er bei der Herstellung von Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Dauerfestigkeit nur begrenzt eingesetzt. Dauerfestigkeit, auch Dauerfestigkeit genannt, bezeichnet die Fähigkeit eines Maschinenteils, Ermüdungsschäden wie Zahnradkorrosion und Oberflächenrissen zu widerstehen.
Der 3D-Metalldruck, bei dem Metallpulver mithilfe von Lasern geschmolzen und in kurzer Zeit schichtweise zu komplexen Formen aufgetragen wird, eignet sich hervorragend zur schnellen Herstellung großer, komplexer Bauteile. Die hohe Hitze, die durch den im Druckprozess häufig verwendeten leistungsstarken Laserstrahl entsteht, führt jedoch zur Bildung von Lufteinschlüssen im Inneren des Bauteils und beeinträchtigt die Eigenschaften der Legierung. Diese kleinen Poren können zu Druckstellen werden, die vorzeitige Risse verursachen und die Dauerfestigkeit des Materials verringern.
Um dieses Problem zu lösen, entschied sich das Forschungsteam für die Herstellung einer porösen Titanlegierung. Sie entwickelten ein Verfahren mit Ti-6Al-4V, einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, die die höchste bisher bekannte Dauerfestigkeit aller Titanlegierungen aufweist. Laut Zhang Zhenjun beginnt das Verfahren mit einem Heißisothermen-Pressverfahren zur Beseitigung der Poren, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, bevor sich die innere Struktur der Legierung verändern kann. Das Verfahren liefert eine poröse Legierung mit einer um 106 % erhöhten Zugfestigkeit von üblicherweise 475 MPa auf 978 MPa – ein Weltrekord .
Zhang Zhenjun erklärte, die Entwicklung sei vielversprechend für zahlreiche Anwendungen in Branchen, die Leichtbaumaterialien benötigen, wie etwa die Luft- und Raumfahrt sowie die Elektromobilität. Bislang wurde das neue Material nur als Prototyp hergestellt, der einer Hantel ähnelt und an der dünnsten Stelle 3 mm misst – zu klein für praktische Anwendungen. Obwohl sich die Technologie noch im experimentellen Stadium befindet, birgt sie großes Potenzial für die Fertigung komplexer Bauteile.
Laut CAS werden viele Luftfahrtkomponenten, darunter Düsen von NASA-Raketen, die Rumpfstruktur des J-20-Kampfjets und die Treibstoffeinspritzdüsen des chinesischen C919-Flugzeugs, mithilfe von 3D-Drucktechnologie hergestellt. Dank des Potenzials für zukünftige Skalierung wird diese neue Technologie ein breiteres Anwendungsgebiet haben.
An Khang (laut Tech Times )
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