Mit 3D-Drucker hergestellte „Superlegierung“ könnte Emissionen von Kraftwerken senken

Bildnachweis: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Von der E&T-Redaktion

Veröffentlicht am Montag, 20. Februar 2023

Eine neue, 3D-gedruckte „Superlegierung“ könnte Kraftwerken helfen, mehr Strom zu erzeugen und gleichzeitig weniger Kohlenstoff zu produzieren.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Sandia National Laboratories, des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der Bruker Corp., alle in den USA, verwendete einen 3D-Drucker, um eine Hochleistungsmetalllegierung oder Superlegierung mit einer ungewöhnlichen Zusammensetzung herzustellen, die sie stärker macht und leichter als modernste Materialien, die derzeit in Gasturbinenmaschinen verwendet werden.

Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf den Energiesektor sowie die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie haben und auf eine neue Klasse ähnlicher Legierungen hinweisen, die noch entdeckt werden müssen.

„Wir zeigen, dass dieses Material bisher unerreichbare Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und Hochtemperaturbeständigkeit ermöglicht“, sagte Sandia-Wissenschaftler Andrew Kustas. „Wir glauben, dass wir dies unter anderem im additiven Fertigungsansatz erreicht haben.“

Sowohl Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen als auch Kernkraftwerke sind auf Wärme angewiesen, um Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen. Die Effizienz von Kraftwerken wird jedoch dadurch begrenzt, wie heiß die Turbinenteile aus Metall werden können.

Bildnachweis: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Wenn Turbinen bei höheren Temperaturen betrieben werden können, kann mehr Energie in Strom umgewandelt werden und gleichzeitig weniger Abwärme an die Umwelt abgegeben werden.

Die neue Superlegierung, die aus 42 Prozent Aluminium, 25 Prozent Titan, 13 Prozent Niob, 8 Prozent Zirkonium, 8 Prozent Molybdän und 4 Prozent Tantal besteht, war bei 800 °C fester als viele andere Hochleistungslegierungen Legierungen, einschließlich derjenigen, die derzeit in Turbinenteilen verwendet werden, und noch stärker, wenn sie wieder auf Raumtemperatur gebracht werden.

„Dies ist daher eine Win-Win-Situation für sparsamere Energie und für die Umwelt“, sagte Sal Rodriguez, ein Nuklearingenieur aus Sandia, der nicht an der Forschung beteiligt war.

Auch Luft- und Raumfahrtforscher, die nach leichten Materialien suchen, die bei großer Hitze stabil bleiben, könnten von der Superlegierung profitieren.

Der 3D-Druck ist als vielseitige und energieeffiziente Fertigungsmethode bereits weit verbreitet. Dabei wird ein Hochleistungslaser verwendet, um ein Material, normalerweise einen Kunststoff oder ein Metall, blitzschnell zu schmelzen, das dann in Schichten aufgetragen wird, um ein Objekt zu bilden, während das geschmolzene Material schnell abkühlt und erstarrt.

Die Forscher nutzten die Technologie als schnelle und effiziente Methode zur Herstellung neuer Legierungen, indem sie mithilfe eines 3D-Druckers pulverförmige Metalle zusammenschmolzen und dann sofort eine Probe davon herstellten.

„Wir haben viele Beispiele dafür, wie wir zwei oder drei Elemente kombiniert haben, um eine nützliche technische Legierung herzustellen“, sagte Kusta. „Jetzt fangen wir an, innerhalb eines einzigen Materials auf vier, fünf oder mehr zu gehen. Und dann wird es aus materialwissenschaftlicher und metallurgischer Sicht erst richtig interessant und herausfordernd.“

Das Team möchte künftig untersuchen, ob fortschrittliche Computermodellierungstechniken den Forschern dabei helfen könnten, weitere Mitglieder einer möglicherweise neuen Klasse von Hochleistungs-Superlegierungen zu entdecken, die durch additive Fertigung hergestellt werden.

„Das sind äußerst komplexe Gemische“, sagte Sandia-Wissenschaftler Michael Chandross, der nicht direkt an der Studie beteiligt war. „Alle diese Metalle interagieren auf mikroskopischer – sogar atomarer – Ebene, und es sind diese Wechselwirkungen, die wirklich bestimmen, wie stark ein Metall ist, wie formbar es ist, wie hoch sein Schmelzpunkt sein wird und so weiter.

„Unser Modell nimmt der Metallurgie einen Großteil des Rätselratens ab, weil es all das berechnen kann und es uns ermöglicht, die Leistung eines neuen Materials vorherzusagen, bevor wir es herstellen.“

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