3D-Druck für extreme thermische Bedingungen

Rekristallisation erhöht Widerstandsfähigkeit 3D-gedruckter Metalle

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Eine neuentwickelte Wärmebehandlung verändert die mikroskopische Struktur von 3D-gedruckten Metallen. Dadurch könnten Hochleistungsschaufeln und Leitbleche für stromerzeugende Gasturbinen und Düsentriebwerke additiv gefertigt werden.

Eine neue, am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte Wärmebehandlung verändert die mikroskopische Struktur von 3D-gedruckten Metallen und erhöht deren Widerstandsfähigkeit in extremen thermischen Umgebungen. Die Technik könnte die Konstruktion von Hochleistungsschaufeln und -leitblechen für Gasturbinen und Düsentriebwerke mit verbessertem Kraftstoffverbrauch und höherer Energieeffizienz ermöglichen. 

Gasturbinenschaufeln werden traditionell durch Gussverfahren hergestellt, bei denen geschmolzenes Metall in komplexe Formen gegossen und gerichtet verfestigt wird. Diese Bauteile bestehen aus einigen der hitzebeständigsten Metalllegierungen der Welt, da sie dazu bestimmt sind, bei hohen Geschwindigkeiten in extrem heißem Gas zu rotieren und dabei Arbeit zu leisten, um in Kraftwerken Strom und in Düsentriebwerken Schub zu erzeugen.

Mit additiven Fertigungsverfahren könnten kompliziertere und energieeffizientere Geometrien von Turbinenschaufeln erzielt werden. Jedoch gibt es beim 3D-Druck von Turbinenschaufeln noch eine große Hürde zu überwinden: das Kriechen. Darunter wird die Tendenz eines Metalls verstanden, sich bei anhaltender mechanischer Belastung und hohen Temperaturen dauerhaft zu verformen. Im Vergleich zu gerichtet erstarrten Werkstoffen weisen 3D-gedruckte Werkstoffe oft feine Kornstrukturen auf, die zu schlechten Hochtemperatur-Kriecheigenschaften führen.

"In der Praxis würde dies bedeuten, dass eine Gasturbine eine kürzere Lebensdauer oder eine geringere Treibstoffeffizienz hätte", sagt Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor sowie Assistenzprofessor für Luft- und Raumfahrttechnik am MIT. "Das sind kostspielige, unerwünschte Ergebnisse."

Cordero und seine Kollegen experimentierten mit einer Form der gerichteten Rekristallisation, um die Struktur von 3D-gedruckten Legierungen zu verbessern. Hierbei wird ein Material mit kontrollierter Geschwindigkeit durch eine heiße Zone geleitet. Mit der Wärmebehandlung gelang es ihnen, die mikroskopisch kleinen Körner eines Materials zu größeren, stabileren und gleichmäßigeren Kristallen zu verschmelzen und das Kriechpotenzial des Materials zu minimieren.

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Methode den Weg für den industriellen 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln ebnen wird.

"Wir stellen uns vor, dass die Hersteller von Gasturbinen in naher Zukunft ihre Schaufeln und Leitschaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und anschließend mit unserer Wärmebehandlung nachbearbeiten werden", sagt Cordero. "Der 3D-Druck wird neue Kühlarchitekturen ermöglichen, die den thermischen Wirkungsgrad einer Turbine verbessern können, so dass sie bei gleicher Leistung weniger Kraftstoff verbraucht und letztlich weniger Kohlendioxid ausstößt."

Die gerichtete Rekristallisation, die vor mehr als 80 Jahren erfunden wurde, kommt in der Regel bei Knetwerkstoffen zur Anwendung. Die Forscher des MIT passten die gerichtete Rekristallisation für 3D-gedruckte Superlegierungen an und testeten sie an 3D-gedruckten Superlegierungen auf Nickelbasis, die normalerweise mit Gussverfahren bearbeitet werden. 

Sie legten 3D-gedruckte Proben stabförmiger Superlegierungen in ein Wasserbad bei Raumtemperatur, das direkt unter einer Induktionsspule platziert war, und zogen sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus dem Wasser und durch die Spule, wobei sie die Stäbe auf Temperaturen zwischen 1.200 und 1.245 Grad Celsius erhitzten. 

Bei einer bestimmten Geschwindigkeit und Temperatur wurde ein steiler thermischer Gradient erzeugt, der eine Veränderung in der gedruckten, feinkörnigen Mikrostruktur des Materials auslöste. Bei anschließenden Untersuchungen mit Licht- und Elektronenmikroskopie stellten die Forscher fest, dass die Struktur komplett umgestaltet wurde. Die Korngröße veränderte sich bis hin zu massiven säulenförmigen Körnern. Dies sollte theoretisch zu signifikant besseren Kriecheigenschaften führen.

Die Methode soll nun an 3D-gedruckten Werkstücken getestet werden, deren Geometrie derer von Turbinenschaufeln nahekommt. Das Team erforscht zudem Möglichkeiten, die Kriechbeständigkeit einer wärmebehandelten Struktur zu testen. Die Wärmebehandlung könnte schließlich zu additiv gefertigten Turbinenschaufeln mit komplexen Formen in Industriequalität führen.

"Neue Schaufel- und Leitschaufelgeometrien werden energieeffizientere landgestützte Gasturbinen und schließlich auch Flugzeugtriebwerke ermöglichen", so Cordero. "Dies könnte allein durch die verbesserte Effizienz dieser Anlagen zu einer Senkung der Kohlendioxidemissionen führen."

Corderos Co-Autoren sind Dominic Peachey, Christopher Carter und Andres Garcia-Jimenez vom MIT, Anugrahaprada Mukundan und Marie-Agathe Charpagne von der University of Illinois in Urbana-Champaign sowie Donovan Leonard vom Oak Ridge National Laboratory.

https://web.mit.edu

Mehr Informationen

Dominic D.R. Peachey, Christopher P. Carter, Andres Garcia-Jimenez, Anugrahaprada Mukundan, Donovan N. Leonard, Marie-Agathe Charpagne, Zachary C. Cordero: Directional recrystallization of an additively manufactured Ni-base superalloy. In:
Additive Manufacturing, 2022, 103198, ISSN 2214-8604. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103198 

Die Studie ist als open access online hier erhältlich:
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422005875