„Geheime Soße“ ermöglicht neue Möglichkeit zur Herstellung von Legierungen mit abgestufter Zusammensetzung

21. Juli 2023

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von Emily R. Tomlin, Oak Ridge National Laboratory

Die Erforschung einer neuen, einzigartigen Technologie zur Herstellung von Verbundmetallteilen für eine Vielzahl von Anwendungen in extremen Umgebungen in der Luft-, Raumfahrt- und Energieindustrie zeigt, dass die additive Fertigung vielversprechend ist.

Diese Technik wurde von Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums entwickelt und ermöglicht die Konstruktion von Verbundwerkstoffteilen mit abgestufter Zusammensetzung. Diese Komponenten gehen von hochfesten Superlegierungen zu feuerfesten Legierungen über, die extrem hohen Temperaturen standhalten können, sodass kein Schweißen erforderlich ist.

Obwohl Superlegierungen und feuerfeste Legierungen normalerweise nicht miteinander verschweißt oder verbunden werden können, erfordern viele Anwendungen Materialien mit standortspezifischen Hochtemperatur- und Hochfestigkeitseigenschaften.

„Wir können Zusammensetzungen ermöglichen, die nahtlos von einer Legierung zur anderen übergehen“, sagte Soumya Nag, ein ORNL-Materialwissenschaftler, der die Studien leitet. „Wir können ein Verbundteil so abstimmen, dass wir es von einem Ende zum anderen sortieren können und auf jeder Seite eine hohe Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen.“

Das Geheimnis liegt in der „Soße“.

„Es ist wie beim Kochen. Man hat grundsätzlich unterschiedliche Zutaten. Wenn man also mehr Nudeln auf der einen Seite und mehr Risotto auf der anderen Seite hat, wie wechselt man dann kontinuierlich von einer Pasta zu einem Risotto? Man ändert die Zutaten im Laufe der Zeit.“ „von einem Ende zum anderen, und genau das machen wir“, sagte Nag.

Die Soße ist in diesem Fall ein Pulver, das aus einer dritten Übergangslegierung besteht, die Leichtbau- oder Hochtemperatureigenschaften besitzt. Nag und seine Teammitglieder verwendeten eine additive Fertigungsmethode namens gerichtete Energieabscheidung, um verschiedene Pulverzusammensetzungen in einer inerten Argonumgebung abzuscheiden und dabei die Abscheidungsrate zu ändern.

Für die meisten strukturellen Anwendungen, so Nag, werde oft eine einzige Legierungszusammensetzung verwendet, um Komponenten für korrosive, hohe Temperaturen oder Strahlungsumgebungen herzustellen, aber dieser Prozess sei teuer und beeinträchtigt die Leistung. Für Komponenten, die sehr unterschiedliche Eigenschaften erfordern, werden häufig Schweißteile aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, was zu abrupten Schnittstellen führt, die sich negativ auf die Leistung auswirken können.

In den neuesten Studien verwendeten die Wissenschaftler Pulver aus Inconel 718, einer Legierung auf Nickelbasis, und C103, einer Legierung auf Niobbasis. Diese Legierungen – eine hochfest und die andere hochtemperaturbeständig – wollen sich nicht verbinden und neigen dabei zur Rissbildung. Aber durch den Einsatz einer Maschine zur gerichteten Energieabscheidung mit geblasenem Pulver und durch Änderung der Geschwindigkeit, mit der die Pulver fließen, können die Wissenschaftler die Zusammensetzung der verbundenen Metalle so ändern, dass sie die vorteilhaften Eigenschaften beider haben.

Die Wissenschaftler entwarfen den eigentlichen nichtlinearen Gradientenweg, indem sie modernste rechnerische Thermodynamik mit experimentellen Daten koppelten, die über Multiskalen-Hochdurchsatz-Charakterisierungstools gesammelt wurden. Dadurch konnten sie erfolgreich Schweißprobleme umgehen und normalerweise nicht schweißbare Superlegierungen mit feuerfesten Legierungen verbinden.

Das Team analysierte die Spannungszustände dieser integrierten Konstruktionen mit auf Neutronenbeugung basierenden Studien am ORNL und validierte das rechnerische Legierungsdesign. Derzeit werden auf Basis der experimentellen Daten Schmelzbad-, Wärme- und Dehnungsmodelle erstellt.

„Nur wenige additive Fertigungsverfahren verfügen über die Möglichkeit, Pulver während des Bauvorgangs unterwegs zu mischen“, sagte Nag. „Dies ist eine einzigartige Eigenschaft, die Pulver mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufblasen kann. Jetzt können Sie problemlos einen Temperaturübergang von einer Nickellegierung mit relativ niedriger Temperatur zu einer Nioblegierung mit extrem hoher Temperatur durchführen.“

Zu den Anwendungen dieser Technologie gehören Raketentriebwerke für die Raumfahrt, die Luft- und Raumfahrtfertigung, die Herstellung von Fusions- und Spaltreaktoren, maritime Anwendungen und Systeme für erneuerbare Energien – überall dort, wo extreme Umgebungsbedingungen herrschen, sagte Nag.

„Wir streben eine Zukunft an, in der maßgeschneiderte Komponenten mit einer idealen Kombination aus komponentenspezifischer Leistung und reduzierten Herstellungskosten für ein breites Anwendungsspektrum integriert werden können“, sagte er. „Es könnte die Art und Weise verändern, wie Komponenten für extreme Bedingungen hergestellt werden.“

Nag hat eine vorläufige Patentanmeldung bezüglich der verwendeten Materialien und des Herstellungsverfahrens eingereicht. An der Forschung beteiligen sich die ORNL-Wissenschaftler Brian Jordan, Ke An, James Haley, Yousub Lee und Jaimie Tiley. Die Mitglieder des Forschungsteams aus dem gesamten ORNL sind wirklich interdisziplinär und bringen Fachwissen in den Bereichen Physik, Energiewissenschaft und -technologie, Neutronenwissenschaften sowie Informatik und Computerwissenschaften mit.