Legeringer fra laserprinteren

I fremtiden, nye designerlegeringer til rumfartsapplikationer kan fremstilles ved hjælp af 3-D lasersmelteprocessen (Additive Manufacturing). Pionerarbejde på dette felt blev leveret af Empa-forsker Christoph Kenel, der arbejder i dag på Northwestern University (Chicago). Empa giver ham Forskningsprisen 2017.

Titan-aluminium legeringer kombinerer lav densitet, høj styrke og oxidationsbestandighed ved forhøjede temperaturer og er derfor af høj teknisk relevans f.eks. i rumfartsteknik. Målet med den tildelte ph.d.-afhandling af Christoph Kenel var at udvikle en ny titaniumaluminid (TiAl) legering, især til brug i strålebaserede additive fremstillingsteknologier, og at inkludere oxid-dispersoider i nanostørrelse for at forbedre deres højtemperatur mekaniske egenskaber. Christoph Kenels forskning blev overvåget af Christian Leinenbach ved Empas Advanced Materials Processing-laboratorium.

Emnet er meget udfordrende, da TiAl-legeringer i sagens natur er skøre ved stuetemperatur, og de hurtige størkningsbetingelser under AM kan føre til komplekse fasetransformationssekvenser, udtalt elementadskillelse og revnedannelse. Oxid-dispersion-forstærkede (ODS) legeringer er en klasse af materialer, der tilbyder en uovertruffen kombination af deformation-, krybe-, forgrovning- oxidations- og korrosionsbestandighed ved temperaturer op til 1, 000 °C.

Legeringer ikke gennemførlige ved klassisk støbning

Imidlertid, Fremstillingen af ​​komponenter ved hjælp af ODS-legeringer er i øjeblikket underlagt alvorlige økonomiske og tekniske barrierer. Konventionel visdom er, at klassisk pulvermetallurgi er den eneste tilgængelige metode til at skabe ODS-legeringer fra pulvere, hvortil oxider blev tilsat via kugleformaling i en ren faststof-proces:hvis disse kompositpulvere blev smeltet, deres oxiddispersoider går tabt ved en eller flere forgrovninger, opløsning, agglomeration i interdendritisk rum og flydende til overfladen af ​​barren ("slagging"). Bearbejdning af ODS TiAl er derfor en virkelig krævende opgave.

Dr. Kenel besluttede sig for en ny tilgang til at udvikle en TiAl-legering specifikt til den additive fremstillingsproces (AM). Generelt, AM-behandlingsparametrene er optimeret til et givet materiale på en trial-and-error måde, men det har været kendt, at denne tilgang ofte mislykkes. I betragtning af oxiddispersoiderne, Kenel og hans kolleger antog, at laserbaseret AM med succes kan bruges til at skabe bulkprøver fra oxid-dispersoidholdige pulvere, da den meget korte smeltetid og meget hurtige størkning ville holde oxiddispersoiderne godt spredt i legeringskornene.

I sit arbejde, Dr. Kenel brugte beregningsmetoder (beregningstermodynamik, finite element-metoder) til simulering af fasetransformationer i binære Ti-Al og ternære Ti-Al-Nb og Ti-Al-Mo legeringer, henholdsvis, under de helt særlige opvarmnings- og afkølingsforhold under AM. Han udviklede derefter sofistikerede nye eksperimenter, herunder in situ synkrotron røntgen mikrodiffraktionsmetoder under laseropvarmning, giver ham mulighed for systematisk at studere fase- og mikrostrukturdannelsen i udvalgte legeringer under veldefinerede og simulerede AM-forhold med en hidtil uset tidsmæssig opløsning. Dette er ikke blevet gjort før.