Die härteste Titanlegierung der Welt wurde mit 3D-Drucktechnologie hergestellt

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Wissenschaftler haben durch die Anwendung der 3D-Drucktechnologie auf Titanlegierungen neue Ergebnisse erzielt, wodurch die Haltbarkeit des Materials verdoppelt und seine potenziellen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erweitert wurden.

Neue Titanlegierung mit Rekord-Ermüdungsfestigkeit. Foto: iStock — Neue Titanlegierung mit Rekord-Ermüdungsfestigkeit. Foto: *iStock*

Die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) beschrieb den Erfolg in einer Studie, die am 28. Februar in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Die Forschung entstand in Zusammenarbeit zwischen den Wissenschaftlern Zhang Zhenjun und Zhang Zhefeng vom Shenyang Laboratory of Materials Science des Institute of Materials Research der CAS und Robert Ritchie von der University of California, Berkeley. Laut der Studie entstand die Forschungsidee in China, und auch die Materialproben wurden dort hergestellt. Ritchie war an der Evaluierung des Prozesses beteiligt.

Obwohl der 3D-Druck die Fertigung revolutioniert hat, ist sein Einsatz auf die Herstellung von Teilen beschränkt, die eine hohe Ermüdungsfestigkeit erfordern. Dauerfestigkeit oder Ermüdungsbeständigkeit ist 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 in komplexe Formen geschichtet wird, eignet sich ideal für die schnelle Herstellung großer, komplexer Bauteile. Die hohe Hitze, die durch die beim Drucken üblicherweise verwendeten starken Laserstrahlen erzeugt wird, führt jedoch zur Bildung von Lufteinschlüssen im Bauteil, die die Leistung der Legierung beeinträchtigen können. Diese kleinen Löcher können zu Spannungen führen, die zu vorzeitiger Rissbildung führen und die Lebensdauer des Materials verkürzen.

Um dieses Problem zu lösen, beschloss das Team, eine porenfreie Titanlegierung herzustellen. Sie entwickelten ein Verfahren mit Ti-6Al-4V, einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, das die höchste Dauerfestigkeit aller bekannten Titanlegierungen erreichte. Laut Zhang Zhenjun beginnt der Prozess mit einem heißen isothermen Pressvorgang, um die Poren zu entfernen, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, bevor Veränderungen in der inneren Struktur der Legierung auftreten können. Das Ergebnis des Verfahrens war eine porenfreie Legierung mit einer um 106 % höheren Dauerzugfestigkeit von typisch 475 MPa auf 978 MPa – ein Weltrekord .

Zhang Zhenjun sagte, die Errungenschaft sei vielversprechend für Anwendungen in Branchen, die leichte Materialien benötigen, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt und bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben. Bisher wurde das Material nur in der Größenordnung eines hantelförmigen Prototyps hergestellt, dessen dünnste Stelle drei Millimeter misst – zu klein für praktische Anwendungen. Obwohl sich die Technologie noch im experimentellen Stadium befindet, bietet sie großes Potenzial für die Herstellung komplexer Geräte.

Laut CAS werden viele Luft- und Raumfahrtteile, darunter die Düsen von NASA-Raketen, die Flugzeugzelle des J-20-Kampfjets und die Treibstoffdüse des chinesischen Flugzeugs C919, mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt. Da die neue Technologie künftig in größerem Maßstab gefertigt werden kann, wird sie breitere Anwendung finden.

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