Forscher entwickeln eine neue 3D-gedruckte Superlegierung, die mehr Strom mit weniger Kohlenstoff erzeugt

Forscher der Sandia National Laboratories arbeiteten mit dem Ames National Laboratory, einem nationalen Labor des US-Energieministeriums, und Bruker Corp., einem amerikanischen Hersteller wissenschaftlicher Instrumente für die Molekular- und Materialforschung, zusammen, um eine 3D-gedruckte Superlegierung mithilfe von Laser Engineered Net Shaping (LENS) zu entwickeln. Maschinen. Diese neue 3D-gedruckte Superlegierung kann mehr Strom erzeugen und gleichzeitig weniger Kohlenstoff ausstoßen.

Die Legierung hatte eine komplexe Struktur, die eine temperaturunempfindliche hohe Härte bis 800 °C ermöglichte.

„Wir zeigen, dass dieses Material bisher unerreichbare Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und Hochtemperaturbeständigkeit ermöglicht. Wir glauben, dass uns dies unter anderem im additiven Fertigungsansatz gelungen ist.“

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Die 3D-gedruckte Superlegierung wurde von den Forschern mit einer ungewöhnlichen Zusammensetzung hergestellt, die sie stärker und leichter macht als aktuelle, hochmoderne Materialien, die in Gasturbinenmaschinen verwendet werden. Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die Energie-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie haben und deuten auf eine neue Klasse ähnlicher Legierungen hin, die noch entdeckt werden müssen.

Die Ergebnisse deuten auf eine bisher unbekannte Klasse von Legierungen mit breiten Anwendungen in der Energie-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie hin.

Die Zusammensetzung der neuen Superlegierung besteht aus 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal. Experimente des Teams zeigten, dass es bei 800 Grad Celsius (1.472 Grad Fahrenheit) fester war als andere Superlegierungen und dass es auch nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur fester blieb.

Die Ergebnisse könnten auch anderen Branchen als dem Energiesektor zugute kommen. Luft- und Raumfahrtforscher suchen nach leichten Materialien, die hohen Temperaturen standhalten. Darüber hinaus erklärte Nic Argibay, Wissenschaftler am Ames Lab, dass Ames und Sandia mit der Industrie zusammenarbeiten, um zu untersuchen, wie Legierungen wie diese in der Automobilindustrie eingesetzt werden könnten.

„Die von Ames Lab geleitete Theorie der elektronischen Struktur konnte ein Verständnis für die atomaren Ursprünge dieser nützlichen Eigenschaften liefern, und wir sind jetzt dabei, diese neue Klasse von Legierungen zu optimieren, um Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierbarkeit zu bewältigen.“

Die Entdeckungen könnten nicht nur für den Energiesektor von Nutzen sein, da leichte Materialien, die auch bei extremer Hitze ihre Festigkeit behalten, auch von Luft- und Raumfahrtexperten gewünscht werden. Ames und Sandia arbeiten außerdem mit Unternehmen zusammen, um zu untersuchen, wie diese Legierungen in der Automobilindustrie eingesetzt werden könnten.

Diese neue Studie zeigt, wie mit dem 3D-Druck schnell und effektiv neue Materialien hergestellt werden können. Sandia-Teammitglieder verwendeten einen 3D-Drucker, um Metallpulver schnell zu verschmelzen und eine Probe zu erstellen.

Da kein einzelnes Metall mehr als die Hälfte des Materials ausmacht, stellt Sandias Erfindung einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise dar, wie Legierungen hergestellt wurden. Stahl hingegen besteht hauptsächlich aus Eisen – fast 98 % davon ist Eisen – gemischt mit Kohlenstoff und anderen Materialien.

Das Team untersucht nun, ob modernste Computermodellierungsansätze zur Entdeckung weiterer Mitglieder einer möglicherweise neuen Klasse von Superlegierungen beitragen könnten, die für die additive Fertigung geeignet sind.

In Zukunft möchten die Forscher sehen, ob fortschrittliche Computermodellierungstechniken ihnen dabei helfen können, mehr Mitglieder einer möglicherweise neuen Klasse leistungsstarker, auf die additive Fertigung ausgerichteter Superlegierungen zu finden.

Andrew Kustas betonte, dass vor uns Herausforderungen stünden. Einerseits kann es schwierig sein, große Mengen der neuen 3D-gedruckten Superlegierung ohne mikroskopische Risse herzustellen, was eine häufige Herausforderung bei der additiven Fertigung darstellt. Er erklärte auch, dass die zur Herstellung der Legierung verwendeten Materialien kostspielig seien. Daher ist die Legierung möglicherweise nicht für Konsumgüter geeignet, bei denen die Kosten im Vordergrund stehen.

Das Energieministerium und das laborgesteuerte Forschungs- und Entwicklungsprogramm von Sandia stellten die Finanzierung für die Studie bereit.

Die Ergebnisse des Forschungsteams wurden in der Zeitschrift Applied Materials Today veröffentlicht.

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