Hochtemperaturbeständige und leichte Superlegierung entdeckt

Die Forschenden am Sandia National Laboratories hat in Zusammenarbeit mit Forschern des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der Bruker Corp eine neue Legierung entdeckt, die hochtemperaturbeständig und besonders leicht ist. Zudem scheint sie eine geringere Kriechneigung mit einer hohen Festigkeit zu kombinieren.

Das Besondere ist, dass die „Superlegierung“ aus mehreren Elementen besteht, ohne wie viele gängige Legierungen auf einen Hauptbestandteil aufzubauen: 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal. Bei 800 °C erweist sich als fester und leichter als viele andere Hochleistungslegierungen, einschließlich der derzeit für Turbinenteile in Kraftwerken verwendeten. Nach dem Abkühlen scheint sich diese Festigkeit noch zu erhöhen.

„Wir konnten zeigen, dass mit diesem Material bisher unerreichte Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und hoher Temperaturbeständigkeit möglich sind. Wir glauben, dass wir dies zum Teil durch den additiven Fertigungsansatz erreicht haben.“
Andrew Kustas, Wissenschaftler, Sandia

In der additive Fertigung werden Hochleistungslaser verwendet, um den Werkstoff – Kunststoff oder Metall – aufzuschmelzen. Der Drucker trägt dann das Material schichtweise auf und baut ein Objekt auf, während das geschmolzene Material schnell abkühlt und sich verfestigt.

Zum Herstellen der neuen Legierung wurden die feinpulvrigen Ausgangsmaterialien im gewünschten Verhältnis zu einem homogenen Pulver vermischt. Dieses haben die Forschenden sodann mit einem Hochleistungslaser blitzartig aufgeschmolzen, so dass sich die Bestandteile miteinander verbanden. So wurde das Probebauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Die Forschungsarbeit zeigt deshalb auch, dass sich laserbasierte additive Fertigungsverfahren ebenso als schnelle, effiziente Methode zur Herstellung neuer Materialien eignen.

„Die elektronische Strukturtheorie unter der Leitung des Ames-Labors ermöglichte es, die atomaren Ursprünge dieser nützlichen Eigenschaften zu verstehen, und wir sind nun dabei, diese neue Klasse von Legierungen zu optimieren, um die Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierbarkeit zu bewältigen.“
Nic Argibay, Wissenschaftler, Ames National Laboratory

Die Superlegierung könnte in Kraftwerken dazu beitragen, dass mehr Strom erzeugt und gleichzeitig weniger CO₂ emittiert wird. Die Ergebnisse könnten deshalb weitreichende Auswirkungen auf den Energiesektor sowie die Luft- und Raumfahrt haben und weisen auf eine neue Klasse ähnlicher Legierungen hin, die noch entdeckt werden müssen.

Die Entdeckung stellt insofern auch einen grundlegenden Wandel in der Entwicklung von Legierungen dar, da kein einzelnes Metall mehr als die Hälfte der Legierung ausmacht. Ames und Sandia werden nun mit der Industrie zusammenarbeiten, um zu erforschen, wie solche Legierungen in der Automobilindustrie eingesetzt werden könnten.

Für den industriellen Einsatz sind jedoch noch einige Aspekte offen: Zum einen könnte es schwierig sein, die neue Superlegierung in großen Mengen ohne mikroskopisch kleine Risse herzustellen – eine generelle Herausforderung bei der additiven Fertigung. Außerdem seien die Ausgangsmaterialien für die Legierung teuer. Die Superlegierung eignet sich daher möglicherweise nicht für Konsumgüter, bei denen es in erster Linie darauf ankommt, die Kosten niedrig zu halten.

Bild oben: Der Sandia-Technologe Levi Van Bastian druckt Material auf der Laser Engineered Net Shaping-Anlage, mit der die Forschenden die neue Superlegierunge in 3D drucken können. (Quelle: Sandia | Craig Fritz)

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