27.10.2021 - City University of Hong Kong

Innovatives Design einer Titanlegierung mit herausragenden Eigenschaften durch 3D-Druck

Neue Wege zur Entwicklung von Legierungen mit noch nie dagewesenen Strukturen und Eigenschaften für verschiedene strukturelle Anwendungen

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern der City University of Hong Kong (CityU) hat mit Hilfe der additiven Fertigung, die gemeinhin als 3D-Druck bekannt ist, erfolgreich eine superstarke, hochdehnbare und superleichte Legierung auf Titanbasis entwickelt. Ihre Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg zur Entwicklung von Legierungen mit noch nie dagewesenen Strukturen und Eigenschaften für verschiedene strukturelle Anwendungen.

Das Forschungsteam stand unter der Leitung von Professor Liu Chain-Tsuan, University Distinguished Professor am College of Engineering und Senior Fellow des Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS) der CityU. Dr. Zhang Tianlong, Postdoc in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen (MSE), führte die Experimente durch. Ihre Arbeit, zu der auch Präsident Way Kuo von der CityU beigetragen hat, wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

3D-Druck: nicht nur eine Technologie zur Formgebung

Die meisten Menschen betrachten den 3D-Druck als eine revolutionäre Technologie, mit der Maschinenteile mit komplexen Formen in nur einem Schritt hergestellt werden können. "Wir haben jedoch herausgefunden, dass die Technologie nicht nur für die Gestaltung von Geometrien, sondern auch für die Gestaltung von Materialien geeignet ist", so Dr. Zhang, der seine Promotion an der CityU unter der Leitung von Professor Liu Anfang dieses Jahres abgeschlossen hat.

Metallurgen neigen zu der Ansicht, dass ein Mangel an Gleichmäßigkeit in Legierungsbestandteilen unerwünscht ist, weil er zu schlechten Eigenschaften, wie z. B. Sprödigkeit, führt. Eines der Hauptprobleme bei der additiven Fertigung ist die Frage, wie diese Inhomogenität während der schnellen Abkühlung beseitigt werden kann. Dr. Zhangs frühere Modellierungs- und Simulationsstudie ergab jedoch, dass ein gewisses Maß an Heterogenität in den Komponenten tatsächlich einzigartige und heterogene Mikrostrukturen erzeugen kann, die die Eigenschaften der Legierung verbessern. Also versuchte er, diese Simulationsergebnisse mit Hilfe der additiven Fertigung in die Realität umzusetzen.

Einzigartige Mikrostrukturen entwerfen

"Die einzigartigen Merkmale der additiven Fertigung bieten uns eine größere Freiheit bei der Gestaltung von Mikrostrukturen", erklärt Dr. Zhang, der auch Erstautor der Arbeit ist. "Konkret haben wir eine partielle Homogenisierungsmethode entwickelt, um mit Hilfe des 3D-Drucks Legierungen mit Konzentrationsgradienten im Mikrometerbereich herzustellen, was mit herkömmlichen Methoden der Materialherstellung nicht möglich ist."

Die von ihnen vorgeschlagene Methode beinhaltet das Schmelzen und Mischen von zwei verschiedenen Legierungen, d. h. von Titanlegierungspulvern und Edelstahlpulvern, mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls. Durch die Steuerung von Parametern wie der Laserleistung und der Scangeschwindigkeit während des 3D-Druckprozesses gelang es dem Team, die ungleichmäßige Zusammensetzung der Elemente in der neuen Legierung auf kontrollierbare Weise zu erzeugen.

"Neben dem Einsatz der additiven Fertigung ist die Zusammensetzung der beiden Pulvermischungen ein weiterer Schlüssel zur Schaffung der beispiellosen lavaähnlichen Mikrostrukturen mit einer hohen Metastabilität in der neuen Legierung", so Professor Liu. "Diese einzigartigen Mikrostrukturen führen zu den herausragenden mechanischen Eigenschaften, die es der Legierung ermöglichen, sehr fest, aber dennoch dehnbar zu sein, und das bei geringem Gewicht."

Neuartige Legierung: 40 % leichter und superstark

Während rostfreier Stahl in der Regel 7,9 Gramm pro Kubikzentimeter wiegt, sind es bei der neuen Legierung nur 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter, was eine Gewichtsersparnis von rund 40 % bedeutet. In ihren Versuchen wies die Titanlegierung mit lavaähnlichem Gefüge eine hohe Zugfestigkeit von etwa 1,3 Gigapascal bei einer gleichmäßigen Dehnung von etwa 9 % auf. Außerdem wies sie eine ausgezeichnete Kaltverfestigung von über 300 Megapascal auf, was eine große Sicherheitsspanne vor dem Bruch gewährleistet und für strukturelle Anwendungen nützlich ist.

"Diese hervorragenden Eigenschaften sind vielversprechend für strukturelle Anwendungen in verschiedenen Szenarien, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der chemischen und der medizinischen Industrie", so Professor Liu.

"Als erstes Team, das den 3D-Druck zur Entwicklung neuer Legierungen mit einzigartigen Mikrostrukturen und Eigenschaften einsetzt, werden wir diese Designidee auf andere Legierungssysteme anwenden, um weitere Eigenschaften der neuen Legierungen zu erforschen", fügte er hinzu.

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