Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Wärmebehandlung entwickelt, mit der die mikroskopische Struktur 3D-gedruckter Metallteile transformiert werden kann. Materialien werden damit in extremen thermischen Umgebungen stärker und widerstandsfähiger. Damit soll zum Beispiel der 3D-Druck von Gasturbinenschaufeln möglich werden, was optimierte Konstruktionen erlaubt, mit denen sich zum Beispiel der Kraftstoffverbrauch und die Energieeffizienz verbessern lassen.

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Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben laut einer Pressemitteilung eine Methode zur Wärmebehandlung entwickelt, mit der die mikroskopische Struktur 3D-gedruckter Metallteile transformiert und die Materialien in extremen thermischen Umgebungen stärker und widerstandsfähiger gemacht werden können. Damit könnte der Weg für den 3D-Druck von Hochleistungsschaufeln und Leitschaufeln für stromerzeugende Gasturbinen und Strahltriebwerke freigemacht werden, das neue Konstruktionen möglich macht, die zum Beispiel mit verbessertem Kraftstoffverbrauch und Energieeffizienz aufwarten.

3D-Druck von Gasturbinenschaufeln

Ein dünner Stab aus 3D-gedruckter Superlegierung wird aus einem Wasserbad und durch eine Induktionsspule gezogen, wo er auf hohe Temperaturen erhitzt wird.
Die neue MIT-Wärmebehandlung könnte zur Verstärkung von 3D-gedruckten Gasturbinenschaufeln eingesetzt werden (Bild © Dominic David Peachey).

Gasturbinenschaufeln werden im Moment noch mit herkömmlichen Gießverfahren hergestellt, bei denen geschmolzenes Metall in komplexe Formen gegossen und gerichtet erstarrt wird. Diese Komponenten sind aus einigen der hitzebeständigsten Metalllegierungen der Erde und sind so konstruiert, dass sie sich in extrem heißem Gas mit hohen Geschwindigkeiten drehen und Arbeit zur Stromerzeugung in Kraftwerken und Schub in Düsentriebwerken entziehen.

Turbinenschaufeln mit einem Metall-3D-Drucker herzustellen würde Vorteile für Umwelt und Kosten bieten und kompliziertere, energieeffizientere Schaufelgeometrien ermöglichen. Das Kriechen, was sich in der Metallurgie auf die Tendenz des Metalls bezieht, sich unter anhaltender mechanischer Belastung und hohen Temperaturen dauerhaft zu verformen, ist jedoch noch ein Problem. Der Druckprozess erzeugt feine Körner in der Größenordnung von zehn bis hundert Mikrometern, eine Mikrostruktur, die besonders fürs Kriechen anfällig ist. Laut Zachary Cordero, Boeing Career Development Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT, hätte eine Gasturbine eine kürzere Lebensdauer oder weniger Kraftstoffeffizienz.

Das Team um Cordero ergänzte einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt, der die feinen Körner des gedruckten Materials in weitaus größere „säulenförmige“ Körner umwandelt. Das erzeugt eine stabilere Mikrostruktur, die das Kriechpotenzial des Materials minimiert, da die „Säulen“ auf die Achse der größten Beanspruchung ausgerichtet sind. Das würde den Weg für den industriellen 3D-Druck von Gasturbinen ebnen.

Cordero erklärt:

„In naher Zukunft stellen wir uns vor, dass Gasturbinenhersteller ihre Lauf- und Leitschaufeln in großen additiven Fertigungsanlagen drucken und sie dann mit unserer Wärmebehandlung nachbearbeiten werden. Der 3D-Druck wird neue Kühlarchitekturen ermöglichen, die den thermischen Wirkungsgrad einer Turbine verbessern können, sodass sie die gleiche Energiemenge erzeugt, weniger Kraftstoff verbraucht und letztendlich weniger Kohlendioxid ausstößt.“

Gerichtete Rekristallisation

Das Team hat eine Methode zur gerichteten Rekristallisation entwickelt, eine Wärmebehandlung, bei der ein Material mit einer genau kontrollierten Geschwindigkeit durch eine heiße Zone geführt wird, um die vielen mikroskopischen Körner eines Materials zu größeren, stabileren und gleichmäßigeren Kristallen zu verschmelzen. Sie passten die gerichtete Rekristallisation, die vor 80 Jahren entwickelt wurde, an 3D-gedruckte Superlegierungen an. Sie testeten ihre Methode an 3D-gedruckten Superlegierungen auf Nickelbasis. Dabei platzierten sie 3D-gedruckte Proben aus stabförmigen Superlegierungen in einem Wasserbad mit Raumtemperatur direkt unter einer Induktionsspule. Die Forscher zogen jeden Stab langsam aus dem Wasser und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Spule, wobei sie die Stäbe dramatisch auf Temperaturen erhitzten, die zwischen 1.200 und 1.245 Grad Celsius schwankten.

Es zeigte sich, dass das Ziehen der Stäbe mit einer bestimmten Geschwindigkeit (2,5 mm pro Stunde) und durch eine bestimmte Temperatur (1.235 Grad Celsius) einen steilen Wärmegradienten erzeugte, wodurch sich die feinkörnige Mikrostruktur des Materials verwandelte.

Cordero erklärt:

„Das Material beginnt als kleine Körner mit Defekten, die als Versetzungen bezeichnet werden und wie verstümmelte Spaghetti aussehen. Wenn Sie dieses Material erhitzen, können diese Defekte vernichten und sich neu konfigurieren, und die Körner können wachsen. Wir verlängern die Körner kontinuierlich, indem wir das fehlerhafte Material und kleinere Körner verbrauchen – ein Prozess, der als Rekristallisation bezeichnet wird.“

Ergebnisse

Die abgekühlten wärmebehandelten Stäbe zeigten unter Licht- und Elektronenmikroskopie, dass die aufgedruckten mikroskopischen Körner des Materials durch „säulenförmige“ Körner oder lange kristallähnliche Bereiche ersetzt wurden, die deutlich größer als die ursprünglichen Körner waren. Die Ziehgeschwindigkeit und Temperatur der Stangenproben ließen sich manipulieren, um die wachsenden Körner des Materials maßzuschneidern und Regionen mit spezifischer Korngröße und -Orientierung zu schaffen. Hersteller könnten Turbinenschaufeln mit ortsspezifischen Mikrostrukturen drucken, die gegenüber bestimmten Betriebsbedingungen widerstandsfähig sind.

Die Forscher werden die Wärmebehandlung an 3D-gedruckten Geometrien testen, die eher Turbinenschaufeln ähneln und untersuchen, wie sie die Ziehgeschwindigkeit beschleunigen und die Kriechfestigkeit einer wärmebehandelten Struktur testen können.

Cordero sagt abschließend:

„Neue Schaufel- und Leitschaufelgeometrien werden energieeffizientere landgestützte Gasturbinen und schließlich auch Flugtriebwerke ermöglichen. Dies könnte aus grundlegender Sicht zu geringeren Kohlendioxidemissionen führen, nur durch eine verbesserte Effizienz dieser Geräte.“

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