Forscher entwickeln eine neue Klasse nachhaltiger Titanlegierungen mithilfe des 3D-Drucks mit lasergesteuerter Energieabscheidung

Forscher der RMIT University und der University of Sydney haben eine neue Klasse starker, duktiler, abstimmbarer und nachhaltiger Titanlegierungen entwickelt. Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der Hong Kong Polytechnic University und der Manufacturing Intelligence-Abteilung des schwedischen Softwareentwicklers Hexagon durchgeführt.

Titanlegierungen sind äußerst nützliche Materialien und werden für ihre Festigkeit, ihr geringes Gewicht sowie ihre Beständigkeit gegen Korrosion und hohe Temperaturen geschätzt. Allerdings sind herkömmlich hergestellte Titanlegierungen teuer in der Herstellung.

Diese neue Forschung soll Potenzial für eine neue Klasse nachhaltiger und kostengünstiger Hochleistungs-Titanlegierungen für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt, Biomedizin, Chemietechnik, Raumfahrt und Energieanwendungen bieten. Das Team integrierte Legierungs- und 3D-Druckprozessdesign, um seine neuen Titanlegierungen zu entwickeln, die mittels Laser Directed Energy Deposition (L-DED) aus Metallpulvern 3D-gedruckt werden.

Laut dem leitenden Forscher Professor Ma Qian vom RMIT hat das Forschungsteam die Kreislaufwirtschaft in sein Design integriert. Diese neuartigen Legierungen können aus Abfallprodukten und minderwertigen Materialien hergestellt werden, ohne dass teure Zusatzstoffe wie Vanadium und Aluminium erforderlich sind. Stattdessen werden Sauerstoff und Eisen verwendet, die sowohl billig als auch reichlich vorhanden sind.

„Die Wiederverwendung von Abfällen und minderwertigen Materialien hat das Potenzial, einen wirtschaftlichen Mehrwert zu schaffen und den hohen CO2-Fußabdruck der Titanindustrie zu verringern“, kommentierte Qian.

Der Hauptautor Dr. Tingting Song vom RMIT behauptete, dass das Team „am Anfang einer großen Reise steht, vom Beweis unserer neuen Konzepte hier bis hin zu industriellen Anwendungen“.

„Es gibt Grund zur Aufregung – der 3D-Druck bietet eine grundlegend andere Möglichkeit zur Herstellung neuartiger Legierungen und hat deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen. Mit unserem Ansatz besteht für die Industrie eine potenzielle Möglichkeit, Abfallschwamm-Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen, „nicht den Spezifikationen entsprechende“ recycelte sauerstoffreiche Titanpulver oder Titanpulver, die aus sauerstoffreichen Titanabfällen hergestellt werden, wiederzuverwenden“, fügte Song hinzu.

Die Forschungsarbeit des Teams mit dem Titel „Starke und duktile Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen durch additive Fertigung“ wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Entwicklung neuer 3D-gedruckter Titanlegierungen

Die Legierungen des Teams bestehen aus einer Mischung zweier Formen von Titankristallen, der Alpha-Titanphase und der Beta-Titanphase, genannt Ti-6Al-4V. Jede Form entspricht einer bestimmten Anordnung von Atomen.

Die am weitesten verbreitete Titanlegierung, Ti-6Al-4V, wird traditionell aus 6 % Aluminium und 4 % Vanadium hergestellt und macht über 50 % des gesamten Titanmarktes aus. Diese neue Forschung ersetzt Aluminium und Titan durch Sauerstoff und Eisen. Diese Elemente sind nicht nur leicht verfügbar und kostengünstig, sondern auch zwei der stärksten Stabilisatoren und Verstärker der Alpha- und Beta-Titan-Phasen.

Traditionell waren Titanlegierungen mit einem hohen Anteil an Titan und Sauerstoff mit Herausforderungen konfrontiert, die ihre Entwicklung und Einführung behinderten.

„Eine Herausforderung besteht darin, dass Sauerstoff – umgangssprachlich als ‚Kryptonit zu Titan‘ bezeichnet – Titan spröde machen kann, und die andere darin, dass die Zugabe von Eisen zu schwerwiegenden Defekten in Form großer Beta-Titan-Flecken führen könnte“, sagte Qian.

Der L-DED-3D-Druck, ein Verfahren, das allgemein zur Herstellung großer und komplexer Teile verwendet wird, ermöglichte es den Forschern, diese Herausforderungen zu meistern.

Mithilfe von L-DED konnte das Team die mechanischen Eigenschaften der Legierungen optimieren. Die Wissenschaftler erzeugten nanoskalige Titankristalle innerhalb der Legierung und kontrollierten dabei sorgfältig die Verteilung der Sauerstoff- und Eisenatome. Dies führte dazu, dass einige bestimmte Teile der Legierung fest und andere duktil waren, wodurch sichergestellt wurde, dass das Material unter Spannung nicht spröde wird.

Mithilfe des DED-Moduls im Simufact Welding-Programm von Hexagon druckte und testete das Team eine Reihe dieser Konfigurationen in 3D. Nach Tests stellten die Forscher fest, dass ihre Legierungen mit der Duktilität und Festigkeit anderer kommerzieller Titanlegierungen mithalten können.

„Der entscheidende Faktor ist die einzigartige Verteilung der Sauerstoff- und Eisenatome innerhalb und zwischen der Alpha-Titan- und Beta-Titan-Phase“, erklärte Professor Simon Ringer, Co-Leiter der Forscher von der University of Sydney.

„Wir haben einen nanoskaligen Sauerstoffgradienten in der Alpha-Titan-Phase entwickelt, der starke sauerstoffreiche Segmente und duktile sauerstoffarme Segmente aufweist, die es uns ermöglichen, die lokale Atombindung zu kontrollieren und so das Potenzial für zu mildern Versprödung.“

Entwicklungen bei 3D-Drucklegierungen

Dies ist nicht das erste Mal, dass 3D-Druck bei der Entwicklung von Metalllegierungen eingesetzt wird. Im vergangenen Jahr nutzten Forscher des Lehrstuhls für Digitale Additive Produktion (DAP) der RWTH Aachen den Extreme High-Speed ​​Laser Material Deposition (EHLA) 3D-Druck, um neue Legierungen für die Laser-Pulverbettfusion (PBF) zu entwickeln.

EHLA wurde ursprünglich im Jahr 2017 als Variante des Fraunhofer ILT zur hochvolumigen gerichteten Energiedeposition (DED) entwickelt. Die Untersuchung der RWTH verglich die Prozesseigenschaften beider Drucktechnologien und lieferte vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Übertragbarkeit ihrer Materialfähigkeiten. Aus ihren Erkenntnissen folgerte das DAP-Team, dass es EHLA als Plattform für die schnelle Legierungsentwicklung für den PBF-3D-Druck qualifizieren könnte.

An anderer Stelle hat die NASA, die US-amerikanische Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde, eine neuartige 3D-Druckmetalllegierung für den Einsatz in Hochleistungssystemen der Luft- und Raumfahrt entwickelt. Dieses neue Material mit der Bezeichnung GRX-810 ist ein Beispiel für eine oxiddispersionsverstärkte (ODS) Legierung, ein Metall, das nanoskalige Oxidpartikel enthält. Berichten zufolge ist diese Legierung unglaublich stark und langlebig und hält Temperaturen von über 1090 °C (2000 °F) stand.

„Die nanoskaligen Oxidpartikel vermitteln die unglaublichen Leistungsvorteile dieser Legierung“, kommentierte Dale Hopkins, stellvertretender Projektmanager des Transformational Tools and Technologies-Projekts der NASA.

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Alex ist Technologiejournalist bei 3D Printing Industry und recherchiert und schreibt gerne Artikel zu einer Vielzahl von Themen. Er besitzt einen BA in Militärgeschichte und einen MA in Kriegsgeschichte und hat ein großes Interesse an additiven Fertigungsanwendungen in der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie.