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15.11.2017 pte

Forscher stellen Legierungen per Laserdrucker her

Wissenschaftler der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) empa.ch können Designer-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt künftig gezielt im 3D-Laser-Schmelzverfahren herstellen.

Die Mischung wird kurz erhitzt, so dass Oxidpartikel beim Schmelzen haften.

Die Mischung wird kurz erhitzt, so dass Oxidpartikel beim Schmelzen haften.

© empa.ch

Titan-Aluminium-Legierungen vereinen mehrere im Leichtbau für Luft und Raumfahrt begehrte Eigenschaften: Sie sind leicht, sehr fest und zugleich oxidationsresistent, auch bei hohen Temperaturen.

Um die mechanischen Eigenschaften und die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen im Hochtemperaturbereich deutlich zu verbessern, haben die Empa-Forscher eine 3D-Laser-Schmelzanlage verwendet, die mithilfe eines Laserstrahls aus Metallpulver komplexe Bauteile formt. Die Aufgabe ist anspruchsvoll, denn Titan-Aluminium-Legierungen sind bei Raumtemperatur spröde. Die rasche Abkühlung der Mischung im Laser-Schmelzprozess kann unerwünschte Phasentransformationen im Metall auslösen und zu Rissen im Material führen.

Im klassischen Gussverfahren sind die nun untersuchten oxidverstärkten Legierungen bisher nicht herzustellen: Sobald die Mischung schmilzt, klumpen die Oxidpartikel in der Legierung zusammen oder sie schwimmen als Schlacke auf der Oberfläche. Das Laser-Schmelzverfahren bietet hier eine Alternative. Mit dem Laser wird die Pulvermischung nur kurz erhitzt, so dass die Oxidpartikel während des Schmelzens und Erstarrens zwischen den Metallanteilen der Legierung gewissermassen steckenbleiben und ihre Position nicht mehr verändern. Eine homogene, oxidverstärkte Legierung entsteht.

Deutlich höhere Festigkeit
Mit diversen computerbasierten Methoden, wie thermodynamischen Simulationen und Finite-Elemente-Berechnung, lassen sich die Eigenschaften der erzeugten Legierungen aus Titan, Aluminium, Niob und Yttriumoxid voraussagen. In ergänzenden Experimenten gelang es, mit neuen Analysemethoden die Bildung der Legierungen während des Laserprozesses mit hoher zeitlicher Auflösung zu studieren. Die im Anschluss daran optimierten und im 3D-Verfahren hergestellten oxidverstärkten Legierungen zeichnen sich durch höhere Festigkeit bei Temperaturen bis 800 Grad Celsius sowie eine deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu kommerziellen Titanaluminid-Legierungen aus.

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