de.wedoany.com-Bericht: Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine Laser-Rührtechnik für die additive Metallfertigung entwickelt, die ein langjähriges Hindernis bei der Herstellung von Hochentropie-Legierungen (HEA) beseitigt: die gleichmäßige Vermischung verschiedener Metalle auf atomarer Ebene während des Erstarrungsprozesses.
Hochentropie-Legierungen enthalten mehrere Metalle in etwa gleichen Anteilen, im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen, die auf einem einzelnen Metall basieren und nur geringe Zusätze enthalten. Diese Zusammensetzung verleiht ihnen bei hohen Temperaturen Leistungsvorteile und macht sie zu Kandidaten für Komponenten in Düsentriebwerken und Kernreaktoren. Allerdings unterscheiden sich die Dichten, Schmelzpunkte und Oberflächenspannungen der beteiligten Metalle, was dazu führt, dass sie beim Abkühlen der Schmelze dazu neigen, sich in getrennte Bereiche aufzuteilen, was die Herstellung erschwert.
„Hochentropie-Legierungen müssen auf atomarer Ebene gemischt werden“, sagt Fan Zhang, NIST-Physiker und Co-Leiter des Projekts. „Die Metalle in diesen Verhältnissen zu mischen, erfordert zusätzlichen Aufwand.“
Der Metall-3D-Druck bietet einen potenziellen Weg, die Einschränkungen des Gießens zu umgehen. „Es ist schwierig, Bauteile aus Hochentropie-Legierungen mit herkömmlichen Methoden wie Gießen herzustellen“, sagt Zhang. „Aber wir glauben, dass der Metall-3D-Druck eine Lösung sein könnte.“
Neudefinition des Laserpfads
Das NIST-Team modifizierte die Bewegung des Lasers im Laser-Pulverbettschmelzprozess. Anstatt den Laser auf herkömmlichen geraden Bahnen über das Pulverbett zu führen, lenkte der Forscher Ho Yeung den Laser auf elliptischen Ringbahnen, um das Schmelzbad während seiner Entstehung aktiv zu rühren.
„Die Software kommerzieller 3D-Drucker kann diese Bahnen nicht erzeugen“, erklärt Yeung. „Die Anpassungsmöglichkeiten für die Laserbahnen sind sehr begrenzt, also mussten wir die Software von Grund auf neu schreiben.“
Da die Technik keine neue Hardware erfordert, könnten bestehende Metall-3D-Drucker prinzipiell durch Neuprogrammierung darauf umgestellt werden.
Die Methode wurde durch die Kombination zweier Materialien mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften getestet: RHEA-19 (eine dichte Hochentropie-Legierung) und eine leichte Titanlegierung. Um die erfolgreiche Durchmischung zu bestätigen, arbeitete das NIST mit der Advanced Photon Source (APS) des Argonne National Laboratory zusammen – einer stadiongroßen Synchrotronanlage, die Röntgenstrahlen erzeugt, die etwa 500 Milliarden Mal heller sind als die in der Zahnmedizin verwendeten. Diese Strahlen ermöglichten es den Forschern, die atomaren Strukturveränderungen der Metalle beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand in Echtzeit und in weniger als einer Sekunde zu beobachten.
„Die APS ist eine der wenigen Photonenquellen weltweit, die leistungsstark genug ist, um solche Messungen durchzuführen“, sagt Zhang.
Hin zur bedarfsgerechten Legierungsbildung
Über Hochentropie-Legierungen hinaus, so die Forscher, könnte die Rührtechnik auch eine breitere bedarfsgerechte Legierungsbildung im Drucker unterstützen – das Mischen von elementaren Metallpulvern anstelle der Verwendung von vorlegierten Ausgangsmaterialien. Eine Maschine, die mit elementaren Pulvern bestückt ist, könnte eine Reihe von Legierungen herstellen, was die Materialkosten senkt und das Spektrum der druckbaren Zusammensetzungen erweitert.
Die Methode könnte auch verwendet werden, um die Legierungszusammensetzung innerhalb eines Bauteils kontinuierlich zu verändern – beispielsweise könnte eine Düsenturbinenschaufel aus mehreren Metallen ohne Schweißnähte gedruckt werden.
„Wir wollen die Legierungsherstellung beschleunigen“, sagt Yeung. „Der Metall-3D-Druck hat das Potenzial, Bauteile herzustellen, die bisher nicht möglich waren.“
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Additive Manufacturing“ veröffentlicht.
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