Neuartige 3D-druckbare hochhitzebeständige Superlegierungen mit hoher Entropie
Die Suche nach Werkstoffen, die den extremen Bedingungen in Strahltriebwerken und Gasturbinen standhalten, nimmt in der Luft- und Raumfahrt einen hohen Rang ein. In den letzten Jahrzehnten haben sich Superlegierungen auf Nickelbasis, die für ihre überragende Festigkeit und Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen bekannt sind, bei diesen Anwendungen durchgesetzt. Die Forderung nach noch höheren Betriebstemperaturen im Einsatz auf diesem Gebiet hat jedoch dazu geführt, dass bei den Leistungseigenschaften eine thermische Grenze erreicht wird, da sich diese Temperaturen dem Schmelzpunkt dieser Legierungen annähern. In letzter Zeit haben Superlegierungen auf Kobaltbasis als eine starke Alternative Aufmerksamkeit erregt. Dank der Gamma-Strich-Ausscheidungen, mikroskopisch kleiner, kohärenter, sich innerhalb der Kristallstruktur bildender Ausscheidungen, die deren Struktur verstärken, können diese Legierungen die Leistung der entsprechenden Legierungen auf Nickelbasis bei starker Wärmeeinwirkung übertreffen. Ihre Produktion ist jedoch mit Schwierigkeiten behaftet.
Das Beste aus beiden Welten kombinieren
Das Ziel des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts CNSTech bestand darin, die Festigkeit von Metall und Kobalt mithilfe der Pulvermetallurgie zu kombinieren, bei der Metallpulver gemischt, geformt und erhitzt werden, um eine feste Legierung zu bilden. „Wir haben uns auf die Entwicklung einer neuen Generation von Superlegierungen konzentriert, die als Superlegierungen mit hoher Entropie bezeichnet werden“, erklärt Projektkoordinator José Manuel Torralba. Ziel war es, diese Metalle im Vergleich zu den gegenwärtig in Hochtemperaturszenarien eingesetzten Metallen zu verbessern. „Wir arbeiteten an der Lösung einiger Probleme, die bei diesen konventionellen Superlegierungen mit hoher Entropie auftreten. Dazu verfeinerten wir die pulverbasierten Verfahren und optimierten ihre Funktionsfähigkeit mithilfe modernster 3D-Druckverfahren wie dem Laser-Pulverbettfusionsverfahren“, erklärt Torralba.
Fortschritte bei der Entwicklung von Legierungen mit hoher Entropie
Zu den wichtigsten Errungenschaften gehört die Formulierung einphasiger Legierungspulver mit hoher Entropie, die durch erhöhte Gamma-Strich-Solvus-Temperaturen gekennzeichnet sind, die für die Bestimmung des Schmelzpunkts einer bestimmten Komponente in einer Metallmischung wichtig sind. Wissen über dieser Temperatur ermöglicht ein präzises Erhitzen und Abkühlen und gewährleistet, dass ein bestimmtes Metall eine hervorragende Druck- und Hitzebeständigkeit erreicht. Zu den weiteren Errungenschaften zählen die Erstellung optimierter Verarbeitungspläne für fehlerfreies Drucken (additive Fertigungstechnologie) sowie das effektive Spark-Plasma-Sintern, bei dem Pulver unter Anwendung von elektrischem Strom und Druck zu festen Werkstoffen geformt werden (Pulvermetallurgietechnologie). Die Studien konzentrierten sich außerdem auf die Frage, wie die Anordnung und Verteilung der Atome in einer Legierung, die Konfigurationsentropie, die Eigenschaften der Legierung beeinflusst. Durch die Zusammenarbeit mit externen Partnern erzielte das Team bemerkenswerte Fortschritte bei der Verfeinerung der Verarbeitungsverfahren und der Werkstoffcharakterisierungsanalyse.
Erforschung einer eindeutigen Beziehung
Das CNSTech-Team hat neuartige Legierungsdesigns und Pulververarbeitungsverfahren eingeführt, die speziell auf Superlegierungen mit hoher Entropie zugeschnitten sind, wodurch die aktuelle Technologie erheblich weiterentwickelt werden konnte. Durch die Anwendung der Prinzipien der hohen Entropie im Legierungsdesign und den Einsatz fortgeschrittener Fertigungsverfahren strebt das CNSTech-Team danach, im Vergleich zu herkömmlichen Superlegierungen höhere Gamma-Strich-Solvus-Temperaturen und eine verbesserte Druckbarkeit zu erreichen. „Unser disruptiver Ansatz stützt sich auf die Hypothese, dass die Verknüpfung der hohen Mischungsentropie mit der Gamma-Strich-Solvus-Temperatur zu bemerkenswerten Verbesserungen führen kann“, betont Torralba. Diese Korrelation stellt konventionelle Legierungsdesignstrategien in Frage und könnte die Entwicklung von Werkstoffen mit außergewöhnlichen Eigenschaften ermöglichen. Die Auswirkungen in Bezug auf Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und Energieerzeugungssysteme, bei denen die Materialien extremen Temperaturen und Belastungen während des Betriebs standhalten müssen, könnten beträchtlich sein.
Auswirkungen des Projekts
Die im Zusammenhang mit CNSTech zu erwartenden Auswirkungen sind vielfältig. „Durch die Verknüpfung der hohen Mischungsentropie mit den verbesserten Leistungsmerkmalen von Superlegierungen eröffnet die Arbeit von CNSTech neue Wege der Forschung innerhalb verschiedener Legierungsfamilien, die sich über die ursprünglich in Betracht gezogenen hinaus erstrecken. Die Anwendung ähnlicher Konzepte auf verschiedene Stahlsorten geht zum Beispiel weit über die traditionellen Legierungen mit hoher Entropie auf der Grundlage mehrerer Hauptelemente hinaus“, erklärt Torralba. Dieser Ansatz bringt die Werkstoffwissenschaft voran, da das Verständnis der Thermodynamik von Superlegierungen mit hoher Entropie und ihrer praktischen Auswirkungen auf die Legierungsentwicklung vertieft wird. Letztlich verspricht er, durch die Entwicklung neuartiger Superlegierungen mit hoher Entropie, die überlegene Eigenschaften aufweisen, die Leistung und Effizienz von Luft- und Raumfahrttriebwerden und Energieerzeugungssystemen zu steigern.
Schlüsselbegriffe
CNSTech, Luft- und Raumfahrt, Superlegierungen mit hoher Entropie, Energieerzeugung, Gamma-Strich-Solvus-Temperatur, Nickel, Kobalt, 3D-Druck, Pulvermetallurgie
