Forscher verwenden Neutronenbildgebung zur Untersuchung von 3D-gedruckten Superlegierungen
Aufgrund ihrer Fähigkeit, dichte Metalle zu durchdringen und detaillierte Einblicke in innere Strukturen zu gewähren
Laut dem US-Energieministerium haben Forscher erfolgreich Neutronenbildgebung eingesetzt, um die Auswirkungen von Spannungen in neuartigen Superlegierungen zu untersuchen, die mittels laserbasiertem 3D-Druck hergestellt wurden. Diese fortschrittlichen Materialien, die aus hochfesten, hochhitzebeständigen Metallen bestehen, sind für extreme Anwendungen wie fortschrittliche Gasturbinen, die bei der Stromerzeugung eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung.
Ein Team aus Mitarbeitern von General Electric, dem Edison Welding Institute und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) druckte Legierungen aus Inconel 718 und René 41 per 3D-Druck, ohne dass Risse auftraten. Bei diesem Verfahren wird Metallpulver Schicht für Schicht mit einem Laser in die gewünschte Form geschmolzen, was zu inneren Spannungen führen kann, die sich auf die Leistung des Materials auswirken.
Um diese Spannungen zu bewerten, führten die Forscher Neutronenbildgebungsexperimente an der Spallations-Neutronenquelle (SNS) und dem Hochflussreaktor (HFIR) des ORNL durch – beides Forschungseinrichtungen des Department of Energy Office of Science. Neutronen eignen sich aufgrund ihrer Fähigkeit, dichte Metalle zu durchdringen und detaillierte Einblicke in die inneren Strukturen zu gewähren, besonders gut für diese Analyse.
Die Studie ergab, dass Restspannungen in den Superlegierungen stärker von Fertigungsparametern wie der Verweildauer des Lasers und den Energieniveaus beeinflusst werden als von der chemischen Zusammensetzung der Metalle. Sie zeigte, dass Wärmebehandlungen diese Spannungen wirksam reduzieren und die Eigenschaften und Leistung der Materialien verbessern können.
Mit dem VULCAN-Diffraktometer am SNS und dem MARS-Bildgebungsinstrument am HFIR maß das Team die Verteilung der Restgitterdehnungen, um zu beobachten, wie sich die Spannungen und Zusammensetzungen der Materialien während verschiedener Verarbeitungsphasen veränderten. Diese Erkenntnisse werden der Industrie dabei helfen, bessere Komponenten mithilfe des 3D-Drucks zu entwickeln, insbesondere für Anwendungen in extremen Umgebungen.
Diese Forschung fördert das Verständnis der Spannungseffekte in 3D-gedruckten Superlegierungen und etabliert eine effektivere Methode zur Bewertung des Spannungsniveaus in Metallen. Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Senkung der Herstellungskosten und die Verbesserung der Leistung von Komponenten, die hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind.
Diese Arbeit wurde vom Amt für Energieeffizienz und erneuerbare Energien des Energieministeriums (DOE) und dem Amt für fortschrittliche Fertigung unterstützt. Ein Teil dieser Forschung verwendete Ressourcen an der Spallations-Neutronenquelle und am Hochflussreaktor für Isotope, beides vom DOE Office of Science betriebene Nutzereinrichtungen des Oak Ridge National Laboratory.
Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Restspannung und Mikrostruktur in einer durch lasergestützte gerichtete Energieabscheidung hergestellten IN718-René41-Superlegierung mit abgestufter Zusammensetzung“ kann hiereingesehen werden.
