US-amerikanischen Forschern der University of Massachusetts Amherst und der Georgia Tech University ist der 3D-Druck der ersten nanostrukturierten Hochleistungslegierung gelungen. Diese ist sowohl dehnbar als auch sehr fest. Wir fassen das Wichtigste zur Arbeit zusammen.

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Forschern der University of Massachusetts Amherst (UMASS AMHERST) und des Georgia Institute of Technology ist der 3D-Druck einer zweiphasigen, nanostrukturierten Hochentropie-Legierung gelungen. Diese soll die Duktilität und Festigkeit anderer hochmoderner, additiv gefertigter Materialien übertreffen. Mögliche Anwendungsbereiche wären leistungsfähigere Komponenten für die Luft– und Raumfahrt, Medizin, Energie und der Transport.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing“ vorgestellt.

3D-Druck und die Materialwissenschaft

Hochentropielegierungen (HEAs) gewinnen in der Materialwissenschaft zunehmend an Beliebtheit. Sie bestehen aus fünf oder mehr Elementen in nahezu gleichen Anteilen und können nahezu unendlich für das Legierungsdesign kombiniert werden. Bei herkömmlichen Legierungen wie Messing, Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Bronze gibt es ein Primärelement mit einem oder mehreren Spurenelementen. Mit dem laserbasierten 3D-Druck sind große Temperaturgradienten und hohe Abkühlraten erzeugbar, die normalerweise nicht ohne Weiteres zugänglich sind.

Ting Zhu, Professor für Maschinenbau an der Georgia Tech, sagte:

„Das Potenzial, die kombinierten Vorteile von additiver Fertigung und HEAs zur Erzielung neuartiger Eigenschaften zu nutzen, bleibt jedoch weitgehend unerforscht.“

Chen vor Bildern der Komponenten und einer Nanolamellen-Mikrostruktur
Wen Chen, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der UMass Amherst, steht vor Bildern von 3D-gedruckten Hochentropie-Legierungskomponenten (Kühlkörperlüfter und Oktect-Gitter, links) und einer Querschnitts-Elektronen-Rückstreubeugungs-Inverspol-Figurenkarte, die demonstriert eine zufällig orientierte Nanolamellen-Mikrostruktur (rechts)(Bild © University of Massachusetts Amherst).

Ultrahohe Festigkeit und Duktilität

Jie Ren mit HEA-Komponente
Die Studentin Jie Ren hält einen Miniatur-Kühlkörperlüfter in der Hand, eine der 3D-gedruckten Hochentropie-Legierungskomponenten, die in Wen Chens Labor hergestellt wurden. Die atomare Neuanordnung der Mikrostruktur führt zu ultrahoher Festigkeit sowie verbesserter Duktilität, wie Untersuchungen von UMass Amherst und Georgia Tech zeigen (Bild © University of Massachusetts Amherst).

Die atomare Neuanordnung der Mikrostruktur führt zu einer ultrahohen Festigkeit und einer verbesserten Duktilität. Im Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory haben die Forscher eine HEA mit der Laser-Pulverbett-Fusionstechnologie kombiniert, um neue Materialien mit beispiellosen Eigenschaften zu entwickeln. Verglichen mit der traditionellen Metallurgie schmelzen und erstarren Materialien schneller und erhalten eine andere Mikrostruktur, die laut Chen weit vom Gleichgewicht auf den hergestellten Komponenten entfernt ist. Diese Mikrostruktur sieht wie ein Netz aus und besteht aus abwechselnden Schichten, die als flächenzentrierte kubische (FCC) und körperzentrierte kubische (BCC) Nanolamellarstrukturen bekannt sind, die in eutektische Mikrokolonien mit zufälligen Orientierungen eingebettet sind. Hierarchische nanostrukturierte HEAs ermöglichen eine kooperative Verformung beider Phasen.

Chen sagte:

„Die atomare Neuanordnung dieser ungewöhnlichen Mikrostruktur führt zu einer ultrahohen Festigkeit sowie einer verbesserten Duktilität, was ungewöhnlich ist, da normalerweise starke Materialien dazu neigen, spröde zu sein. Im Vergleich zum herkömmlichen Metallguss haben wir fast die dreifache Festigkeit und haben nicht nur nicht an Duktilität verloren, sondern sie sogar gleichzeitig erhöht. Für viele Anwendungen ist eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität entscheidend. Unsere Ergebnisse sind originell und spannend für die Materialwissenschaften und die Ingenieurwissenschaften gleichermaßen.“

Jie Ren, Ph.D. von Chen, Studentin und Erstautorin der Arbeit, sagte:

„Die Fähigkeit, starke und dehnbare HEAs herzustellen, bedeutet, dass diese 3D-gedruckten Materialien robuster im Widerstand gegen aufgebrachte Verformungen sind, was für leichtes Strukturdesign für verbesserte mechanische Effizienz und Energieeinsparung wichtig ist.“

Die Forscher entwickelten Zweiphasen-Kristallplastizitäts-Berechnungsmodelle, um die mechanistischen Rollen der FCC- und der BCC-Nanolamellen und ihre Zusammenarbeit zu verstehen, durch die sie dem Material zusätzliche Festigkeit und Duktilität verleihen.

Zhu sagte:

„Unsere Simulationsergebnisse zeigen die überraschend hohe Festigkeit und dennoch hohe Härtungsreaktionen in den BCC-Nanolamellen, die für das Erreichen der hervorragenden Festigkeits-Dehnbarkeits-Synergie unserer Legierung ausschlaggebend sind. Dieses mechanistische Verständnis bietet eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung von 3D-gedruckten HEAs mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften.“

Forscher der Texas A&M University, der University of California Los Angeles, der Rice University und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sowie am Lawrence Livermore National Laboratory (LNLL) waren ebenfalls an dem Projekt beteiligt. Über weitere Entwicklungen aus dem Bereich der additiven Fertigung berichten wir auch zukünftig im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).

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