IMDEA entwickelt neue 3D-druckbare Superlegierung mit hoher Entropie
CoNi-HESA ist in der Lage, höheren Betriebstemperaturen standzuhalten, was ein Schritt in Richtung leistungsstärkerer und kraftstoffsparenderer Flugzeugtriebwerke sein könnte
Forscher des IMDEA Materials Institute haben eine neue 3D-druckbare Superlegierung mit hoher Entropie für Anwendungen in Strahltriebwerken entwickelt. Die neuartige Superlegierung auf Kobalt- (Co) und Nickelbasis (Ni) mit hoher Entropie (CoNi-HESA), die höheren Betriebstemperaturen standhält, könnte ein Schritt in Richtung leistungsstärkerer und treibstoffeffizienterer Flugzeugtriebwerke sein.
Die Entwicklung und Herstellung der neuen CoNi-HESA wird in einem kürzlich in Materials & Design veröffentlichten Artikel beschrieben: Laser Powder Bed Fusion of a novel CoNi-based high entropy superalloy.
Wichtig ist, dass es den beteiligten Forschern gelungen ist, das Materialdesign für die additive Fertigung mittels LPBF-Techniken (Laser Powder Bed Fusion) zu optimieren. Dies ermöglicht unter anderem die Herstellung von Bauteilen mit weniger Defekten und einer homogeneren Mikrostruktur.
„Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat seit langem erkannt, wie wichtig es ist, die maximale Betriebstemperatur von Flugzeugtriebwerken zu erhöhen, um deren Effizienz zu steigern“, sagte Prof. José Manuel Torralba, leitender Forscher am IMDEA Materials und einer der Autoren der Veröffentlichung. „Daher wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um fortschrittliche metallische und intermetallische Werkstoffe mit außergewöhnlichen Leistungsfähigkeiten zu entwickeln.“
Der Betrieb von Flugzeugtriebwerken bei höheren Temperaturen erhöht die thermische Effizienz und den Schub, was zu einer besseren Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Leistung führt. Dies erfordert jedoch Materialien, die extremer Hitze und Belastung standhalten, ohne sich zu zersetzen. Ni-basierte Superlegierungen stehen in dieser Hinsicht seit Jahrzehnten an der Spitze der Triebwerksherstellung, da sie sich durch bemerkenswerte Hochtemperatureigenschaften auszeichnen.
Superlegierungen auf Kobaltbasis bieten hingegen eine ausgezeichnete Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Allerdings war die Fähigkeit der Ingenieure, diese Eigenschaften bei der Konstruktion und dem Bau von Düsentriebwerken zu nutzen, durch ihre im Vergleich zu Ni-basierten Legierungen relativ schlechte Hochtemperaturfestigkeit eingeschränkt.
Durch die Kombination der herausragenden Eigenschaften der beiden Superlegierungsfamilien gelang es den Forschern, die neue CoNi-HESA zu entwickeln, die sowohl eine hervorragende Duktilität als auch eine hohe Temperaturfestigkeit aufweist. Zu den Autoren dieser Arbeit gehören Prof. Torralba, die ehemaligen IMDEA-Materialforscher Dr. Ahad Mohammadzadeh und Alessandro De Nardi sowie Dr. Amir Mostafaei vom Illinois Institute of Technology.
„Durch die sorgfältige Kombination von Laserpulver und Scangeschwindigkeit im LPBF-Verfahren eignet sich das entwickelte CoNi-HESA hervorragend für die Herstellung rissbeständiger Bauteile mit hoher Dichte“, so Prof. Torralba.
Neben der Möglichkeit, die Laserleistung und Scangeschwindigkeit zu steuern, um den Temperaturgradienten und die Abkühlgeschwindigkeit des gedruckten Bauteils zu reduzieren, ermöglichte die eingesetzte LPBF-Technik auch das Vorheizen des Pulverbetts und/oder die Verringerung der Schichtdicke. Dies verbesserte nachweislich auch die thermischen und mechanischen Eigenschaften der additiv gefertigten Teile.
„Als abschließende Schlussfolgerung können wir feststellen, dass die Hypothese, dass das Design von CoNi-basierten Superlegierungen durch thermodynamische Vorhersagen auf der Grundlage der Mischungsentropie die Materialeigenschaften erheblich verbessern kann, bestätigt wurde“, sagte Prof. Torralba. „Dies ist sehr vielversprechend für zukünftige Anwendungen der additiven Fertigung in Bereichen wie Energie, Raumfahrt und Kerntechnik.“
