Das Design von Legierungen der additiven Fertigung optimieren
Die verarbeitende Industrie in Europa steht aufgrund des globalen Wettbewerbs und der Verlagerung hin zu Ressourcen- und Energieeffizienz vor Herausforderungen. Neue Oxid-dispersionsverfestigte (ODS) metallische Werkstoffe könnten durch sensorintegrierte Hochtemperaturgeräte wie Gasbrennerköpfe und Wärmetauscher zu großen Fortschritten in der europäischen Verarbeitungsindustrie führen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts topAM(öffnet in neuem Fenster) hat ein Forschungskonsortium neue Verarbeitungsprozesse zur Herstellung von ODS-Werkstoffen auf der Basis verschiedener Metalle entwickelt, die mit Oxid- und Nitridpartikeln in Nanogröße dispergiert sind. Ziel des Projekts war es, neue nanostrukturierte metallische Werkstoffe zu schaffen, die mittels 3D-Druck, d. h. pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M), zu komplex geformten Strukturen verarbeitet werden können. „Die entwickelten ODS-Legierungen können in stark aufkohlenden und oxidierenden Atmosphären mit Betriebstemperaturen von bis zu 1 400 °C eingesetzt werden, zum Beispiel in Synthesegasanlagen zur Erzeugung von Wasserstoff“, sagt Ulrich Krupp(öffnet in neuem Fenster), Professor und Lehrstuhlinhaber für Werkstofftechnik der Metalle am Institut für Eisenhüttenkunde (IHEK) der RWTH Aachen University. „Dies wurde in einem Gasbrennertest mit einer 3D-gedruckten, auf Ni-Basis verstärkten Superlegierung nachgewiesen.“ Die Forschung könnte nicht nur der verarbeitenden Industrie zugutekommen, sondern auch in die Entwicklung von großen und sauberen Kraftwerken einfließen. Viele der führenden Technologien in der Energieerzeugung beruhen auf dem sicheren und effizienten Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen und -geräten.
Datentechnik in die ODS-Fertigung integrieren
Um den ODS-Produktionsprozess zu verbessern, setzte das Team einen Entwicklungsplan nach dem Ansatz des Integrated Computational Materials Engineering (ICME) um. Dabei wurde computergestützte Thermodynamik eingesetzt, um das Auftreten der verschiedenen Phasen innerhalb der komplexen Legierungen in Abhängigkeit von ihrer individuellen chemischen Zusammensetzung vorherzusagen. „In einem nächsten Schritt haben wir mit Modellen die Kriechlebensdauer der Legierungen in Abhängigkeit von der Größe und dem Volumenanteil der ODS-Partikel vorhergesagt“, erklärt Krupp. So konnte das Team den erforderlichen Anteil des partikelbildenden Legierungselements nachbilden.
Verbesserte Pulvermodifikation durch Nanopartikel
Das topAM-Team begann mit einer Reihe möglicher Pulvermodifizierungen, um Nanopartikel in den Produktionsprozess zu integrieren. Dabei kam heraus, dass interne Nitridierungsverfahren die besten Ergebnisse lieferten. Bei der Gaszerstäubung – der Zerstäubung der flüssigen Legierung durch ein Hochdruckgemisch aus Argon und Stickstoff – kann die geringe Titankonzentration in den Legierungströpfchen in situ mit dem Stickstoffgasstrom reagieren. „Ein ähnliches Ergebnis wurde erzielt, indem das Legierungspulver ex situ einer Nitrieratmosphäre in einem Wirbelschichtreaktor ausgesetzt wurde“, erklärt Krupp, topAM-Projektkoordinator. Beobachtet durch hochauflösende Elektronenmikroskopie erschienen die Titannitridpartikel in Nanogröße gleichmäßig verteilt. „Die 3D-gedruckten Proben mit dem entsprechenden ODS-Pulver wiesen hervorragende mechanische Eigenschaften auf, insbesondere bei hohen Temperaturen“, so Krupp. Die ICME-gesteuerte ODS-Legierungsentwicklung und die Pulvermodifikation mittels Wirbelschichtreaktor sind bereits Gegenstand von Patentanmeldungen, und Nachfolgeprojekte wurden initiiert. Diese Projekte werden zu verschiedenen Anwendungsbereichen durchgeführt, zum Beispiel Luft- und Raumfahrt und Hochspannungsschalter.
Die Produktionskapazitäten in Europa ausbauen
ODS-Legierungen bieten einzigartige Kombinationen von Festigkeit sowie Kriech- und Korrosionsbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen, während der 3D-Druck durch selektives Laserschmelzen ein hochindividuelles Design ermöglicht. „Damit werden die strukturellen und funktionalen Anforderungen anspruchsvoller Produkte erfüllt, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder in der Energietechnik eingesetzt werden“, so Krupp weiter. „Auch hocheffiziente Kühlanlagen in der Verarbeitungsindustrie und der großtechnischen Mikroelektronik können realisiert werden, um die Wettbewerbsfähigkeit und Unabhängigkeit Europas in wachsenden und strategischen Marktsegmenten zu erhalten.“
