3D

Eine neue Hochleistungsmetalllegierung, eine sogenannte Superlegierung, könnte dazu beitragen, die Effizienz von Turbinen zu steigern, die in Kraftwerken sowie in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie eingesetzt werden.

Die mit einem 3D-Drucker hergestellte Superlegierung besteht aus einer Mischung von sechs Elementen, die zusammen ein Material bilden, das sowohl leichter als auch fester ist als die Standardmaterialien, die in herkömmlichen Turbinenmaschinen verwendet werden. Die starke Superlegierung könnte der Industrie helfen, sowohl Kosten als auch Kohlenstoffemissionen zu senken – wenn der Ansatz erfolgreich ausgeweitet werden kann.

Die Herausforderung: In der Welt der Materialwissenschaften hat die Suche nach neuen Metalllegierungen in den letzten Jahren Fahrt aufgenommen. Seit über einem Jahrhundert sind wir auf relativ einfache Legierungen wie Stahl angewiesen, der zu 98 % aus Eisen besteht und das Rückgrat unserer Fertigungs- und Bauindustrie bildet. Doch die heutigen Herausforderungen erfordern mehr: Legierungen, die höheren Temperaturen standhalten und unter Belastung stabil bleiben und dennoch leicht sind.

Ingenieure versuchen seit langem, die Materialien zu optimieren, die in Turbinen verwendet werden – den rotierenden Maschinen in Kraftwerken, die dabei helfen, mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Aber selbst hochmoderne Materialien wie Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis neigen dazu, sich zu zersetzen und ihre Leistung zu verschlechtern, wenn sie extrem hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Dies ist einer der Gründe, warum Wissenschaftler in den letzten zwei Jahrzehnten mit komplexen Legierungen experimentiert haben, die teilweise aus bis zu sechs verschiedenen Metallen bestehen. Durch die Optimierung der genauen Anteile der Elemente, aus denen eine Superlegierung besteht, hoffen Wissenschaftler, dass es zu neuen Wechselwirkungen auf atomarer Ebene kommt, die zur Entdeckung vorteilhafter Eigenschaften führen. Angesichts der nahezu unbegrenzten Kombination von Elementen in unterschiedlichen Anteilen stellt die Optimierung dieser Legierungen für bestimmte Anwendungen jedoch eine erhebliche Herausforderung dar.

Die Innovation : Ein vielversprechender Ansatz ist der Einsatz der 3D-Drucktechnologie. Mit dieser Methode können Forscher die relativen Anteile verschiedener Metalle präzise steuern. Dies erreichen sie, indem sie Metalle in fester, pulverförmiger Form mit einem leistungsstarken Laser schnell schmelzen und anschließend in dünnen Schichten abscheiden.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Andrew Kustas von den Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, nutzte diese Technik, um eine leistungsstarke Superlegierung mit sechs Elementen zu entwickeln. Die Legierung – bestehend aus 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal – ist stark, leicht und unglaublich hitzebeständig.

Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für die Turbinen von Kraftwerken, die weltweit etwa 73 % der gesamten Stromerzeugung ausmachen. Denn je höher die Temperatur des Gases ist, das die Turbinen antreibt, desto schneller drehen sie sich und desto effizienter sind sie.

Beim Erhitzen auf 800 °C (1472 °F) – eine übliche Temperatur in Kraftwerksturbinen – blieb diese Superlegierung fester und leichter als viele andere, die für einen ähnlichen Zweck entwickelt wurden. Dieser Durchbruch lässt auf potenzielle Anwendungen über Kraftwerksturbinen hinaus schließen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, wo Materialien stark, leicht und beständig gegen extreme Temperaturschwankungen sein müssen.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Leistung der Superlegierung mit Vorhersagen korrelierte, die aus einem Computermodell erstellt wurden, das vorhersagen sollte, wie bestimmte Elementkombinationen Wärmeenergie leiten würden. Diese Vorhersagen deuten darauf hin, dass zukünftige Computermodelle dabei helfen könnten, vorherzusagen, welche Elementkombinationen wahrscheinlich zu neuen und nützlichen Superlegierungen führen werden.

Um die kürzlich entwickelte Superlegierung in die Massenproduktion zu bringen, hofft das Team, einen Weg zu finden, den 3D-Druckprozess wirtschaftlich zu erweitern und gleichzeitig sicherzustellen, dass die fertigen Produkte keine Risse im Mikromaßstab enthalten, was sich im größeren Maßstab als schwierig erweisen könnte . Die Bewältigung dieser Herausforderungen könnte dazu beitragen, die Maschinen, die unser tägliches Leben antreiben, stärker, effizienter und weniger schädlich für die Umwelt zu machen.